Расчёт сварной балочной клетки

Содержание

 

Введение

3

1. Описание конструкции

4

2. Состав задания

5

3. Технологические условия на проектирование

6

3.1. Расчётные сопротивления

7

4. Расчёт сварной балочной клетки

8

4.1. Расчёт вспомогательных балок

8

4.1.1. Определение действующих нагрузок, распределенных по длине

9

4.1.2. Определение расчётных изгибающих  моментов, возникающих на              опорах, в пролётах

9

4.1.3 Определение требуемых моментов  сопротивления сечения

9

4.1.4. Проверка прочности по нормальным напряжениям

10

4.1.5. Проверка жёсткости вспомогательной балки

10

4.1.6. Устойчивость вспомогательной балки

12

4.2. Расчёт главных балок

12

4.2.1. Определение количества силовых  участков

12

4.2.2. Определение опорных реакций для вспомогательных балок

12

4.2.3. Определение суммарного перерезывающего  усилия

13

4.2.4. Определение реакции главной  балки

13

4.2.5. Определение перерезывающего усилия  на главной опоре

13

4.2.6. Определение перерезывающего усилия  на каждой из опор

13

4.2.7. Определение изгибающих моментов

14

4.3. Определение высоты главной балки

14

4.3.1. Определение условий жёсткости главной балки

14

4.3.2. Определение высоты вертикального листа из условия жёсткости

14

4.3.3. Определение допускаемых значений высоты от расчётной

16

4.3.4. Определение окончательной высоты

16

4.3.5. Определение площади поперечного сечения вертикального листа

17

4.3.6. Определение величины отстояния горизонтальных ребер жесткости

17

4.4. Определение размеров пояса

19

4.5. Изменение размеров сечения главной балки

21

4.5.1. Определение места изменённого сечения

21

4.5.2. Определение требуемого момента сопротивления и площади пояса

21

4.5.3. Определение ширины изменённого пояса

21

4.5.4. Определение геометрических характеристик изменённого сечения

22

4.5.5. Определение нормальных и касательных напряжений в стенке на уровне поясных швов

22

4.5.6. Проверка общей и местной устойчивости составных балок

23

4.6. Расчёт деталей и узлов балок

24

5. Технологические указания

26


 


 

 

 

 

 

 


Введение

 

Балочная  клетка представляет собой систему  пересекающихся несущих балок, предназначенных  для опирания настила перекрытий. В зависимости от схемы расположения балок балочные клетки делят на три типа: упрощенные, нормальные и усложненные.

В упрощенной балочной клетке нагрузка от настила передается непосредственной на балки, располагаемые обычно параллельно  короткой стороне перекрытия, затем  на вертикальные несущие конструкции (стены, стойки и др.). Такой вариант  балочной клетки используется обычно в гражданских бескаркасных зданиях, где небольшие нагрузки и небольшие  пролеты.

В промышленных здания обычно используют нормальную и усложненную компоновку балочных клеток. Здесь настил опирается на балки настила, которые опираются на главные балки (нормальный вариант балочной клетки) или на вспомогательные балки, а последние – на главные балки (усложненный вариант балочной клети). В данном курсовом проекте рассмотрен нормальный тип балочной клетки с этажным сопряжением балок.

В настоящее время металлические  конструкции применяют во всех видах  зданий и инженерных сооружений.

В зависимости от конструктивной формы  и назначения металлические конструкции  делят на несколько видов.

Конструкции одноэтажных промышленных зданий выполняют  в виде цельнометаллических или  смешанных каркасов. Цельнометаллические  каркасы в основном применяются  в зданиях с большими пролётами.

Большепролётные здания с пролётами до 150 м наиболее целесообразно перекрывать металлическими конструкциями. Системы и конструктивные схемы большепролётных покрытий очень разнообразны. Здесь возможны балочные, рамные, арочные, висячие, комбинированные, причём как плоские, так и пространственные системы.

Листовые  конструкции являются тонкостенными  оболочками различной формы и  должны быть не только прочными, но и  жесткими.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


1. Описание  конструкции

 

Проектируемая металлоконструкция «Балочная клетка»  является рабочей площадью, предназначенной  для размещения на ней оборудования и материалов, необходимых для  обслуживания производного процесса. Она состоит из настила, непосредственно  воспринимающего расположенную  на нём полезную нагрузку, и системы  несущих балок , образующих балочную клетку, которая служит для передачи нагрузки через опорные колонны на фундамент.

«Балочная» клетка состоит из пересекающихся под прямым углом балок.

Балки пролётом L передающие нагрузку на опорные колонны и являются главными. Балки пролётом l1, являются вспомогательными и служат для промежуточной передачи нагрузки с настила на главные балки.

 


 

Рис. 1. Продольная (вспомогательная) и поперечная (главная) балки

 

 

Рис. 2. Общий вид балочной клетки

 

 

 


 

 

 

Рис. 3. Расчетная схема балочной клетки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


2. Состав  задания

 

Расстояние  между продольными балками l выбираем по условию прочности настила и в соответствии с толщиной и свойствами его материала.

Расстояние  между главными балками L определяем с учётом расхода материала и производственных затрат. По условию настоящего проекта эти размеры относятся к заданным.

Нагрузка  на балочную клетку состоит из некоторой  равномерно распределённой постоянной нагрузки интенсивностью q и переменной нагрузки от оборудования интенсивностью p.

При проектировании необходимо предусмотреть возможность неодновременного загружения отдельных участков балочной клетки, при котором смежные пролёты продольных балок будут находиться в различных условиях.

 

 

 

 

Таблица1

Исходные  данные для задания 

Размеры балочной клетки, м

Интенсивность нагрузки, кН/м2

L

l

l1

q

p

18

6

2

1.8

8


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


3. Технологические  условия на проектирование

 

Балки изготавливаются  из Ст3 (выбор марки стали основывается исходя из экономической целесообразности расхода металла и его стоимости).

 

 

Коэффициент перегрузки                             n= 1.1;

Предел прочности                                         σв=380 МПа;

Предел текучести                                          σт=240 МПа;

Коэффициент однородности                        k=0.9;

Расчетные сопротивления  для стали           Ст3 ;

Расчётное сопротивление  растяжения        Rp=210 МПа;

Расчётное сопротивление  среза                   Rс=130 МПа;

Расчётное сопротивление  смятия                Rсм=320 МПа.

 

 

 

Наибольшая  стрелка прогиба балок рабочей  площадки не должна превышать следующих  значений:

- для главных  балок                                       ƒmax =( ) ;

- для вспомогательных  балок                       ƒmax =( ) ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


4. Расчёт сварной балочной клетки

 

Расчёт  конструкции необходимо начинать с  составления расчётной схемы. Всю  рабочую клетку следует рассматривать  как состоящую из отдельных балок, различающихся между собой по условиям опирания и нагружения.

 

4.1.Расчёт  вспомогательных балок

 

Ввиду того, что вспомогательные балки  могут быть присоединены к главным  так, что их поперечное сечение в  месте крепления могут воспринимать не только поперечные силы, но и изгибающие моменты, то расчётная схема для вспомогательной балки принимается как для неразрезной балки с числом опор равным числу опорных балок.

Таким образом, расчётная схема продольной балки может быть принята в  соответствии с рис. 4, на котором отдельно указана постоянная нагрузка интенсивностью q и переменная нагрузка интенсивностью p, при одном из возможных вариантах загружения балки.

 

Рис. 4  Схема продольной балки

 

Неразрезные балки являются статически неопределимыми. При их расчёте в качестве статически неопределимых величин принимаются  опорные моменты, для определения  которых применяют теорему о  трёх моментах.

При расчёте неразрезных балок часто  пользуются готовыми таблицами, в которых  приведены вычисленные коэффициенты для определения изгибающих моментов и опорных реакций (табл. 2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Таблица2

Коэффициенты  для пролётных моментов

Схема нагрузки

m/1

m/2

m/3

0.100

-0.046

0.086

-0.026

0.079

-0.04

-0.065

0.055

-

-

0.052

0.060

0.078

0.038

0.046


 

 

 

4.1.1. Определение действующих нагрузок, распределенных по длине

 

 

4.1.2. Определение расчётных изгибающих моментов, действующих на опорах в пролётах

 

4.1.3 Определение требуемых моментов сопротивления сечения      

 

Из курса  сопротивления материалов известно условие прочности при плоском  изгибе по нормальным напряжениям при  расчете по допускаемым напряжениям

.

Расчет строительных конструкций проводится по методу предельных состояний:

 

 

 

где С1 – коэффициент, учитывающий развитие пластической деформации;

      Ry – расчётное сопротивление (σт = 390 МПа);

      – коэффициент условной работы конструкции.


Принимаем I №36 по ГОСТ 8239 -89*


 

Номер профиля

27A

Момент инерции

Jx = 5500 см4

Момент сопротивления при изгибе

Wx = 407 см3

Статический момент полусечения

Sx = 229 см3

Высота сечения

h = 270 мм

Ширина полки

b = 135 мм

Толщина стенки

d = 6 мм

Средняя толщина полки

t = 10.2 мм


 

 

4.1.4 Проверка прочности по нормальным напряжениям

(Расчёт  по первой группе предельных  состояний)

 

Проводится  поскольку при подборе сечения  коэффициент С1 задавался приближённым.

 

По табл. П.3 СНиП II 23-83* берем коэффициенты:

 

Таблица 3

Таблица приложения 3 СНиП II 23-83

Схема сечения

Af/Aw

С

І; ][

0,25

1,19

0,5

1,12

1

1,07

2

1,04


 

Интерполируя, получаем

C1(0,701) = 1,07

 

 

Прочность балки  обеспечена.

 

 

 

 

 

 

 

 

4.1.5 Проверка жесткости вспомогательной балки

(Расчёт  по второй группе предельных  состояний)

 

Определение прогибов пролёта неразрезной балки  можно производить по формулам для  свободно опёртой балки на двух опорах.

 

Рис. 5  Расчётная схема балки

 


Сначала определим опорные моменты балки:

 

Таблица 4

Коэффициенты  для опорных моментов

Тогда воспользовавшись справочными данными:

 

- (прогиб от нагрузки);

 

- (прогиб от моментов).

Суммарный прогиб

 

Предельно допустимый относительный прогиб балки для  длины 6 м установлен из таблицы приложения 2.2 СНиП II 23-83

Так как фактическая стрелка прогиба значиельно меньше допускаемой, то конструкция вспомогательной и пролётной балки спроектирована верно.

 

 


4.1.6 Устойчивость вспомогательной балки

 

Общая устойчивость балки обеспечена настилом, опирающимся на её сжатый пояс и  жёстко с ним соединенная.

Местная устойчивость элементов сечения  вспомогательной балки не проверяется, поскольку она обеспечена их большими толщинами.

 

 

 

 

 

 

4.2. Расчёт главных балок

 

Расчётная схема главной балки зависит  от принятого типа балочной клетки. Если сил в пролете более пяти, то можно вместо силы F ввести при расчете равномерно распределëнную нагрузку  q.

Расчётная схема может быть представлена как  двухопорная, свободно – закреплённая, нагруженная в местах сопротивления со вспомогательными балками.

 

 

 

4.2.1 Определение  количества силовых участков

 

  - количество силовых участков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2.2. Определение  опорных реакций для вспомогательных  балок

 


Рис.4  Расчётная  схема главной балки, эпюры моментов и перерезывающих сил

 

Исходя из, возможно, наиболее опасного случая расположения груза на площадке, определим опорные  реакции для вспомогательных  балок.

 

 


Таблица 5

Значения  коэффициентов для расчёта опорных  реакций

 

 

 

 

4.2.3. Определение суммарного перерезывающего усилия

 

 

 

 

4.2.4. Определение реакций главной балки

 

 

 

4.2.5. Определение перерезывающей силы на опоре главной балки

 

 

 

4.2.6. Определение перерезывающих усилий на каждом участке

 

 

 

 

 


4.2.7. Определение  изгибающих моментов

 

 

 

 

 

 

4.3. Определение  высоты главной балки

 

Определение размеров сечения главной балки  следует начинать с выбора её высоты, являющейся одним из главных размеров её поперечного сечения. Высоту вертикального  листа выбирают исходя из условий  обеспечения требуемой жёсткости  и наименьшего веса. Из этих двух условий, первое является обязательным, т.к. оно определяется требованиями технических условий, а второе –  только желательным, поэтому второе решение должно быть подчинено первому.

Условие обеспечения  необходимой жёсткости балок  вытекает из заданных техническими условиями  ограничений по прогибу.

 

4.3.1. Определение  условия жёсткости главной балки

 

 

4.3.2. Определение высоты вертикального листа из условия жесткости

 

 

Величину  стенки рассчитываем, лавируя значением  толщины стенки, принимая в качестве минимального 0,6 см и максимального 3,2 см, с шагом 0,2 см.

 


 

 

 


4.3.3. Определение допустимых значений отклонения высоты от расчётной

 

Можно допускать  отклонения от полученных значений hi в пределах . Это не вызывает повышения веса более чем на 2%, что соответствует степени обычно для подобных расчётов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.3.4. Определение окончательной высоты

 

 

 


4.3.5.Определение площади стенки поперечного сечения вертикального листа

 

 

 

 

 

 

 

 

4.3.6. Определение величины отстояния горизонтальных ребер жесткости

 

Стремление  уменьшить толщину вертикального  листа приводит к применению дополнительных горизонтальных ребер жёсткости, которые, уменьшая размеры сжатых участков пластинки, являются средством повышения устойчивости стенки.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 6

Таблица сводных  значений

tw, см

hi, см

hок, см

Аwi, см2

b2, см

0,6

189,31

151,45

90,87

30,29

0,8

162,64

130,11

104,09

26,02

1,0

146,64

117,31

117,31

23,46

1,2

133,86

107,09

128,50

21,41

1,4

123,93

99,14

138,80

19,82

1,6

115,92

92,74

148,39

18,54

1,8

109,29

87,43

157,39

17,48

2,0

103,69

82,95

165,90

16,59

2,2

98,86

79,09

174,00

15,81

2,4

94,65

75,72

181,74

15,14

2,6

90,94

72,75

189,16

14,55

2,8

87,63

70,10

196,30

14,02

3,0

84,66

67,73

203,19

13,54

3,2

80,97

65,57

209,85

13,11



При выборе толщины  вертикального листа следует  иметь ввиду, что по производственным и эксплуатационным условиям, листы толщиной менее 6 мм для элементов конструкций не применяются.

 

 

Практически применяемые толщины в соответствии с существующими ГОСТ      Таб.7

Общая толщина

h, см

1,0

1,25

1,5

1,75

2,0

2,5

3,0

Толщина стенки

tw, см

8…10

9…10

10…12

12…14

14

14…16

16…18

Гибкость стенки

Λw

125…100

140…125

150…125

140…125

145

180…150

180…160


 

 

4.4. Определение размеров поясов

 

В сечении  на опоре размеры вертикальной сетки  будут определяться условиями прочности  при действии касательных напряжений, создаваемых перерезывающей силой.

Основное  значение при этом имеет стенка, а пояса почти не принимают  участия в работе. Если влиянием поясов пренебречь и считать касательные  напряжения равномерно распределёнными  по площади сечения стенки, то формула  для определения касательных  напряжений будет иметь вид

 

 

 

Тогда сравним  принятую толщину стенки с минимальной  толщиной стенки из условия её работы на срез:

 

Расчет для  вертикального листа:

 

Принимаем по ГОСТ 19903-74*

 

 

Расчет для  пояса:

 

         

По ГОСТ 82-70* принимаем:   


Определим площадь  сечения пояса:

 

 

Проверим  выполнение требования местной устойчивости сжатого пояса:

 

      → 3,78 < 7,2 → местная устойчивость

 

 

Находим момент инерции относительно оси X:

 

 

 

 

Произведем  проверку на прочность:

 

    1,4%<3%

 

→

 

Проверка  на прочность обеспечена.

 


4.5. Изменение размеров сечения главной балки

 

Для экономии материала целесообразно изменять размеры сечения балки по пролёту  в соответствии с изменением значения изгибающего момента. Изменение  достигается путём изменения  размеров поясов вертикального листа.

 

4.5.1. Определение места изменённого сечения

 

Для балки  на двух опорах с равномерно распрелённой нагрузкой расстоянием - определяется расположением стыка, при котором достигается наибольшая экономия веса. Для случая нагружения балки сосредоточенным грузом, приложенным в середине пролёта, наиболее выгодное расположение стыка определяется расстоянием.

 

 

Сечение изменяем уменьшением ширины поясов.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Соединение  листовых поясов осуществляем  сварным швом в стык электродами Э42А без применения физических методов контроля качества шва.

 

 

 

Расчётный момент и поперечная сила в сечении z = 3м:

 

 

 

 

 

4.5.2. Определение требуемого момента сопротивления и площади пояса

 

 

 

 

4.5.3. Определение ширины изменённого пояса

 

Принимаем пояс       

 

Лист по 40*240 по ГОСТ 82-70*

 

Проверим  выполнение конструктивных требований:

 

                                             

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.5.4. Определение геометрических характеристик изменённого сечения

 

 

 

 

 

4.5.5. Определение нормальных и касательных напряжений в стенке на уровне поясных швов

 

 

 

 

 

21,28 < 27,6 → прочность обеспечена.

 

 

 

Проверим  жёсткость балки с учётом изменения  ширины сечения:

 

            


5,5 < 8  → жёсткость обеспечена.

 

 

 

 


4.5.6. Проверка общей и местной устойчивости составных балок

 

Балки настила  опираются на верхний пояс главной  балки с двух сторон. Для воспрепятствования отгиба поясов балки предусмотрены  парные симметричные ребра жёсткости.

 

Рис. Конструкция  поперечных промежуточных рёбер  жёсткости

 

Ребра жёсткости  привариваются к стенке и поясам непрерывными угловыми швами, катет которых принимают из условий качественного провара Kf = 6мм.

 

Условная  гибкость стенки:

 

 

Шаг рёбер  жёсткости:

 

 

Определение ширины зоны пластических деформаций:

 

 

 

 

 

Местная устойчивость первого отсека обеспечена.

 

Для укрепления стенки применяем поперечные рёбра  из полосовой стали по ГОСТ 103-76

 

по ГОСТ 103-76 принимаю

 

 по ГОСТ 103-76 принимаю 

 

Принимаю  парные рёбра из полос 6 х 85мм по ГОСТ 103-76

 

 


4.6. Расчёт деталей и узлов балок

 

Определение реакции главной балки:

 

;

 

Определение требуемой площади опорного ребра:

 

 

Определение размеров ребра:

 

Принимаем ребро  →

 

Определение расчётного свеса:

 

 

 

Следовательно, местная устойчивость обеспечена.

 

 Проверка устойчивости опорной части балки:

 

 

Определение осевого момента инерции:

 

 

Определение радиуса инерции:

 

 


Определение гибкости условного стержня:

 

 

 

Следовательно, устойчивость опорной части балки обеспечена.

 

Торцевое  ребро привариваем к стенке ручной сваркой электродами Э-42.

Предварительно  определим сечение, по которому необходимо рассчитать угловой шов на срез.

 

Принимаем наименьшее сечение, т.е.

 

 

 

Определение катета сварного шва:

 

 

Принимаю 

 

Проверка  длины рабочей части сварного шва:

 

 

Следовательно, прочность обеспечена.

 

 

5. Технологические  указания

 

Для современных условий проектирования характерно, что наряду с разработкой  проекта сварной конструкции  ведётся разработка технологического процесса её изготовления. Различия в  технологии влияют на качество металла  и форму сварных соединений, поэтому  прочность сварной конструкции  в значительной мере зависит от технологии изготовления.

При разработке проекта необходимо выбрать  методы сборки и сварки, указать  сварочный материал, необходимый  для обеспечения требуемых свойств сварных швов и соединений, предусмотреть меры обеспечивающие изготовление сварной конструкции с заданной степенью точности.

 

    1. Нарубаем косынки из стали 3 в  соответствии размерам на чертеже.
    2. С помощью газовой резки производим технологические вырезы в двутавре, для стыковки их с главными балками.
    3. Производим сборку вспомогательных балок.
    4. Произведём сварку косынок с двутавром полуавтоматической сваркой в среде СО2.
    5. Заготавливаем пояса, горизонтальные и вертикальные рёбра жёсткости и листы для сборки балки.
    6. Свариваем листы в стык автоматической сваркой под слоем флюса. Привариваем пояса и рёбра жёсткости.


При монтаже  балочной клетки производим сборку и  сварку вспомогательных балок двутавра и вспомогательных балок.