Курсовая работа: Расчет стальных конструкций балочной клетки

Задание

В курсовом проекте произведен расчет стальных конструкций балочной клетки. Определены расчетные и нормативные нагрузки на перекрытие, скомпонованы три варианта балочной клетки, и на основе сравнения их технико-экономических показателей указан оптимальный.

Подобрано сечение второстепенной балки. Скомпоновано сечение главной балки, которое обеспечивает прочность, общую устойчивость и местную устойчивость элементов сечения. Определено место изменения сечения и выполнен расчет монтажного стыка балки. Скомпонованы сечения сплошной колонны, которая обеспечивает прочность колонн, общую устойчивость, а также местную устойчивость элементов сечения. Осуществлен расчет баз колонн.

Выбраны конструктивные решения и рассчитаны сопряжения балок и колонн.

Разработаны чертежи конструкций в стадиях КМ и КМД.

Компоновка балочной клетки

Рис. 1.1.1 Балочная клетка

Производим выбор трех вариантов размещения вспомогательных балок с учетом следующих требований:

количество шагов второстепенных балок - нечетное число;

шаг второстепенных балок должен находиться в пределах от 1,1 до 3,5 м;

средние шаги второстепенных балок должны быть больше крайних, т. е. ;

средние шаги второстепенных балок должны быть кратны 100 мм, крайние - 100 или 50 мм.

Вариант 1: .

Вариант 2: .

Вариант 3: .

В зависимости от полезной нагрузки на перекрытие и шага второстепенных балок для каждого из выбранных вариантов по нижеприведенной таблице принимаем толщину плиты равной:

Толщина плиты .

Таблица 1.1

Определение нагрузок на перекрытие

Сбор нагрузок на 1м2 перекрытия

Таблица 1.1.1.

Рис. 1.1.1.1 Расчетная схема балки настила

Вычисление максимального изгибающего момента и поперечной силы оформим в виде таблицы.

Вариант 1:

Вариант 2:

Вариант 3:

В качестве района строительства принимаем город Минск, относящийся к климатическому району II8. По таблице 50 СНиП II-23-81* «Стальные конструкции» для климатического района II8 и конструкций третьей группы (балки настила) принимаем сталь С235. По таблице 51 СНиП II-23-81* для стали С235 и фасонного проката принимаем Ry=230 МПа.

Определяем минимальную высоту сечения балки настила из условия ее жесткости, т. е. недопущения предельного прогиба:

, [м].

Проектируемое здание относится к зданиям средней степени ответственности, поэтому принимаем . По таблице 6 СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия» для сплошных балок несущих статическую нагрузку для расчетов на прочность принимаем , для расчетов на жесткость - .

Предельные прогибы для балок, ригелей, прогонов и настилов принимаем в зависимости от пролета в соответствии с выпиской из таблицы 10:

Таблица 1.1.2

Для пролета второстепенных балок 5 метров, интерполируя методом трапеций, определяем значение =1/183

Минимальная высота сечения балки из условия ее жесткости для данных вариантов составит:

м.

м.

м.

В соответствии с п. 5.18* СНиП II-23-81* для разрезных балок сплошного сечения, несущих статическую нагрузку, общая и местная устойчивость которых обеспечена, выполненных из пластических сталей (до 530 МПа), при изгибе в одной из плоскостей при касательных напряжениях расчет следует выполнять с учетом развития пластических деформаций по формуле:

.

Отсюда определяем требуемый момент сопротивления балки для каждого из вариантов:

, [м3].

В соответствии с таблицей 66 СНиП II-23-81* принимаем .

Вариант 1:

.

Вариант 2:

.

Вариант 3:

.

В соответствии с сортаментом выбираем двутавры для каждого варианта:

Вариант 1: I №33 (W1=597 см3; h1=330 мм; tw1=7,0 мм; tf1=11,2 мм; bf1=140 мм;

Gnм1=42,2 кг);

Вариант 2: I №30 (W2=472 см3; h2=300 мм; tw2=6,5 мм; tf2=10,2 мм; bf2=135 мм;

Gnм2=36,5 кг);

Вариант 3: I №27 (W3=371 см3; h3=270 мм; tw3=6,0 мм; tf3=9,8 мм; bf3=125 мм;

Gnм3=31,5 кг);

Вычислим значение для каждого из вариантов по формуле и в соответствии с таблицей 66 СНиП II-23-81* выберем значение .

;

;

;

Вычисляем для каждого из вариантов:

;

;

.

Вычисляем значения максимального изгибающего момента и поперечной силы для каждого из трех выбранных вариантов балочной клетки по формулам:

; .

;

.

;

.

;

.

Производим проверку прочности для подобранных сечений второстепенных балок по формуле:

.

;

.

;

.

;

Сравнение технико-экономических показателей вариантов балочной клетки (на одну ячейку)

Таблица 1.1.2.1

Для дальнейших расчетов принимаем вариант № 2

Расчет главной балки

Определение нагрузок и усилий (М, Q)

Рис. 1.2.1.1 Расчетная схема главной балки

Так как количество сосредоточенных грузов на главной балке превышает 4, принимаем нагрузку равномерной распределенной.

Расчет ведем для оптимального варианта балочной клетки.

Определяем нагрузку на 1 погонный метр главной балки:

,

где - коэффициент, учитывающий собственную массу главной балки;

Находим значения максимального изгибающего момента и поперечной силы:

; .

Компоновка сечения составной сварной балки с проверкой на прочность, общую устойчивость и жесткость.

Рис. 1.2.2.1 Сечение сварной балки

По таблице 50* СНиП II-23-81* для конструкций второй группы в климатическом районе II8 принимаем сталь С255.

По таблице 51 СНиП II-23-81* для стали С255 и листового проката при толщине 10 20 мм принимаем , при толщине свыше 20 до 40 мм - .

Главная балка имеет переменное сечение по длине (с целью экономии металла), следовательно расчет ведем по упругой стадии работы материала:

.

Требуемый момент сопротивления:

.

Определяем минимальную высоту сечения балки из условия жесткости, т. е. недопущения предельного прогиба:

.

Предварительно задавшись высотой балки определим рациональную толщину стенки , в дальнейшем принимаем .

Определяем оптимальную высоту балки из условия минимального расхода материала.

или

,

где - коэффициент, учитывающий конструктивное решение балки.

Окончательно назначаем высоту балки м =900мм.

Определяем минимальную толщину стенки из условия ее среза на опоре:

.

Принимаем опирание балки на колонну через внешнее опорное ребро

(). ;

.

Для того, чтобы не ставить продольные ребра жесткости, условная жесткость стенки не должна быть более 5,5 6, т. е. .

.

Окончательно принимаем толщину стенки .

Определяем требуемый момент инерции сечения балки:

.

Определяем момент инерции стенки:

.

Тогда на долю поясов приходится: .

Определяем требуемую площадь одного пояса:

.

Компонуем сечение пояса исходя из следующих соображений:

Из условия общей устойчивости балки: ;

Из условия свариваемости элементов: ;

Из условия обеспечения местной устойчивости сжатого пояса:

;

;

Назначаем по сортаменту универсальной стали:

стальной балочная клетка

Рис. 1.2.2.2 Геометрические характеристики принятого сечения

Определяем фактический момент инерции сечения балки:

;

Проверку на жесткость не производим, т. к. принятая высота балки больше минимально допустимой высоты .

Принимаем сопряжение главных и второстепенных балок в одном уровне.

Таким образом, в соответствии с п. 5.16 (а) «…при передаче нагрузки через сплошной жесткий настил, непрерывно опирающийся на сжатый пояс балки и надежно с ним связанный…», устойчивость балок проверять не требуется.

Определение места изменения сечения балки.

Рис. 1.2.3.1 Место изменения сечения балки

Наиболее рационально изменять сечение балки на расстоянии

от опоры.

Принимаем .

Вычисляем значения изгибающего момента и поперечной силы в намеченном сечении:

;

.

Принимаем для любых сжатых стыковых швов, а также для изгибаемых и растянутых, при физическом контроле качества шва .

Определяем требуемый момент сопротивления измененного сечения:

.

Определяем требуемый момент инерции измененного сечения:

.

Момент инерции стенки: ;

момент инерции поясов: .

Площадь одного пояса: .

Компонуем сечение измененного пояса в соответствии со следующими требованиями:

1.Из условия опирания вышележащих конструкций ширина измененного пояса должна быть не менее 150 мм;

2.Из условия уменьшения концентрации напряжений ;

3.;

Назначаем ширину измененного пояса .

Определяем фактический момент инерции сечения:

Выполняем проверку прочности по нормальным напряжениям:

.

;

.

Проверяем прочность стенки на действие максимальных касательных напряжений на опоре:

;

;

;

;

;

.

Проверим прочность стенки в измененном сечении на уровне поясного шва на совместное действие касательных и нормальных напряжений:

Рис 1.2.3.2 Эпюры нормальных и касательных напряжений

,

где 1,15 - коэффициент, учитывающий возможность пластических деформаций;

.

Расчет соединения поясов балки со стенкой

Принимаем для наложения поясных швов автоматическую сварку под слоем флюса. По таблице 55 СНиП II-23-81* для группы 2, района II8 и стали С255 принимаем флюс АН-348-А (ГОСТ 9087-81*) и сварочную проволоку Св-08А (ГОСТ 2246-70*).

По таблице 56 для сварочной проволоки Св-08А принимаем расчетное сопротивление углового шва по металлу шва .

Для стали С255 по таблице 51 принимаем .

Расчетное сопротивление углового шва по металлу границы сплавления

.

Принимаем положение шва в лодочку, диаметр сварочной проволоки 3 мм

. Коэффициент условий работы сварного шва для города Минска .

Рис. 1.2.4.1 Схема разрушения сварного шва

Определяем расчетное сечение углового шва:

;

.

Расчет ведем по металлу границы сплавления (см. рис.1.2.4.1, поз. 2(z)).

Определяем требуемый катет поясного шва из условия прочности на угловой срез:

.

Определим по конструктивным требованиям максимальный катет шва:

Определяем конструктивно минимальный катет шва: при , автоматической сварке, с двусторонними швами по таблице 38 СНиП II-23-81* принимаем .