Балочная клетка рабочей площадки

Федеральное Агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ярославский государственный технический университет Кафедра «Строительные конструкции»

Курсовой проект защищен

с оценкой ______________

Руководитель Путинцев А.Г.

Дата ___________________

«Балочная клетка рабочей площадки»

пояснительная записка к контрольной работе

по дисциплине «Металлические конструкции»

ЯГТУ 270 102.65−001 КР

Работу выполнил:

студент гр. ЗПГС-55

Пустобояров И.В.

балочная клетка монтажный стык колонна

1. Схема балочной клетки

1.1 Нормальный тип компоновки балочной клетки

1.2 Усложненный тип компоновки балочной клетки

2. Проектирование главной балки

2.1 Подбор сечения главной балки

2.2 Изменение сечения главной балки

2.3 Расчет поясных швов

2.4 Оценка общей устойчивости балки

2.5 Размещение ребер жесткости

2.6 Проверка местной устойчивости

2.7 Проектирование опорных частей главной балки

2.8 Проектирование монтажного стыка

2.9 Расчет сопряжений балок

3. Проектирование колонны

3.1 Подбор сечения колонны

3.2 Оголовок колонны

3.3 Конструктивное оформление колонны

3.4 Проектирование базы колонны

4. Список использованной литературы

1. Схема балочной клетки

1.1 Нормальный тип компоновки балочной клетки

Требуется запроектировать конструкцию балочной клетки с размерами ячейки 13Ч4 метра.

Рисунок 1. Схема упрощенной балочной клетки

Дано: Продольный шаг стоек, м:13

Поперечный шаг стоек, м:4

Отметка пола рабочей площадки, м:12

Строительная высота балочной клетки, м:1,7

Рн=22 кН/м2

Материал балки С235

Ry= 230 МПа

1) Расчет толщины настила.

Определю возможное отношение пролета настила к его толщине:

Принимаю шаг настила а=1000 мм, и из полученного отношения вычисляю толщину настила:

Принимаю толщину настила tн=11 мм >10,16 мм.

Вычисляю вес 1 м² настила:

где 78,5 кг/м2 — вес 1 м² настила толщиной 10 мм.

2) Подбор сечения балки настила:

Определяю нормативную нагрузку на балку настила:

Определяю расчетную нагрузку на балку настила:

Рисунок 2. К расчету балки настила.

Определяю максимальный изгибающий момент и максимальную поперечную силу:

Определю требуемый момент сопротивления сечения:

Определяю требуемый момент инерции сечения:

По найденным параметрам подбираю сечение балки:

№ 22 Iф=2550 cм4 Wф=232 см3 g=24 кг/м

№ 24 Iф=2900cм4 Wф=242 см3 g=24 кг/м

Принимаю для балки настила двутавр № 22

Определю расход металла на 1 м² перекрытия:

1.2 Усложненный тип компоновки балочной клетки

Рисунок 3. Схема усложненной балочной клетки

Принимаю шаг вспомогательных балок 2 м, а шаг балок настила 0,6 м

1) Определю толщину настила:

Принимаю толщину настила tн=7 мм >6,09 мм.

Вычисляю вес 1 м² настила

2) Подбор сечения балки настила:

Определяю нормативную нагрузку на балку настила:

Определяю расчетную нагрузку на балку настила:

Рисунок 4. К расчету балки настила.

Определяю максимальный изгибающий момент и максимальную поперечную силу:

Определю требуемый момент сопротивления сечения:

Определяю требуемый момент инерции сечения:

По найденным параметрам подбираю сечение балки:

№ 10 Iф=198 cм4 Wф=39,7 см³ g=9,46 кг/м

№ 10 Iф=174 cм4 Wф=34,8 см³ g=8,59 кг/м

Принимаю для балки настила швеллер № 10

Расход металла на 1 м² балки настила:

3) Подбор сечения вспомогательной балки:

Нагрузку на вспомогательную балку от балок настила считаем равномерно распределенной, т.к. число балок настила >5.

Определяю нормативную нагрузку на вспомогательную балку:

Определяю расчетную нагрузку на вспомог-ательную балку :

Рисунок 5. К расчету вспомогательной балки

Определяю максимальный изгибающий момент и максимальную поперечную силу:

Определю требуемый момент сопротивления сечения:

Определяю требуемый момент инерции сечения:

По найденным параметрам подбираю сечение балки:

№ 30 Iф=7080 cм4 Wф=472 см3 g=36,5 кг/м

№ 30 Iф=5810 cм4 Wф=387 см3 g=31,8 кг/м

Принимаю для вспомогательной балки швеллер № 30

Расход металла на 1 м² вспомогательной балки:

Определю расход металла на 1 м² перекрытия:

Т.к. расход металла на 1 м² перекрытия в усложненном типе балочной клетки меньше, чем в нормальном, то принимаем для последующих расчетов усложненный тип балочной клетки.

2. Проектирование главной балки

2.1 Подбор сечения главной балки

Определяю нормативную нагрузку на главную балку:

Определяю расчетную нагрузку на главную балку:

Рисунок 6. К расчету главной балки

Определяю максимальный изгибающий момент и максимальную поперечную силу:

Определю требуемый момент сопротивления сечения:

Определяю требуемый момент инерции сечения:

По найденным параметрам подбираю сечение балки:

1) Вычисляю высоту балки:

Определяю условную высоту балки:

Назначаем толщину стенки по эмпирической формуле ([4], ф.VII.24):

Определяю оптимальную высоту главной балки:

Определяю минимальную высоту балки из условий обеспечения жесткости ([4], ф.VII.20):

Строительную высоту балки определяю исходя из заданной строительной высоты перекрытия и его конструкции. Принимаю поэтажное сопряжение балок в перекрытии.

Принимаю высоту главной балки 1300 мм.

2) Вычисляю толщину стенки балки:

Определю наименьшую толщину стенки из условий ее работы на касательное напряжение ([4], ф.VII.22):

Принимаю толщину стенки 8 мм.

3) Вычисляю размеры полки: ширину полки принимаю в пределах

Толщину полки принимаю в пределах:

Определяю момент инерции и момент сопротивления для данного сечения:

(расхождение 4,5%, что менее 5%)

Следовательно, размеры сечения удовлетворяют условиям прочности и предельного прогиба.

Рисунок 7. Схема главной балки

2.2 Изменение сечения главной балки

Задаю ширину поясного листа уменьшенного сечения из условия ([4], ф.VII.26):

Определяю изгибающий момент, который может воспринять сечение:

Тогда

Приравнивая и момент, действующий в месте изменения сечения

Решая это уравнение нахожу минимальное расстояние Х от опоры до начала изменения сечения: — начало изменения сечения ;

Так как сечение должно изменятся плавно, с уклоном 1:5, то длина на которой происходит изменение сечения равна: (300−150)*6,5/2 =490 мм

Расстояние от опоры до измененного сечения равно:;

Так как в месте изменения сечения балки на уровне поясных швов действуют высокие нормальные и касательные напряжения, то требуется проверка наибольших приведенных напряжений.

— статический момент измененного пояса относительно нейтральной оси.

Проверяем прочность стыкового шва:

прочность обеспечена

Рисунок 8. Схема изменения сечения

2.3 Расчет поясных швов

Расчет соединений ведется на силу сдвига пояса

относительно стенки. Принимаем автоматическую сварку.

Требуемую толщину шва определяю по формуле:

Q=715,65 кН ;

; ([2], табл.35)

;

([1], табл.3)

([1], п. 11.2); ;

1);

2);

Следовательно, расчет ведем по металлу границы сплавления.

; ([1], табл.38*)

; ([1], п. 12.8а)

Принимаю катет шва 6 мм.

Рисунок 9. К расчету поясных швов

2.4 Оценка общей устойчивости балки.

Проверяем общую устойчивость в середине пролета балки, где учтены пластические деформации

Определю отношение расчетной длины балки к ширине сжатого пояса b.

Согласно ([1], п. 5.16) определю наибольшее значение при котором не требуется расчет на устойчивость

Так как, то проверка общей устойчивости балки не требуется.

2.5 Размещение ребер жесткости

Определю необходимость постановки ребер жесткости по формуле ([1], п. 7.3):

Следовательно, необходимо установить поперечные ребра жесткости с шагом; см ;

Ширину ребра приму bр=(hef/30)+40=(1260/30)+40=82 мм

Определяю толщину ребер:

Принимаю ребра размером 1260×82×6 мм.

Рисунок 10. Размещение ребер жесткости

2.6 Проверка местной устойчивости

1) Проверка местной устойчивости стенки производится по формуле ([1], ф.74):

так как и ;

([1] табл. 6*).

Вычисляем нормальное критическое напряжение ([1], ф.75):

;

Коэффициент определяем в зависимости от коэффициента д.

; ([1] табл. 22), значит

([1] табл. 21).

;

Вычисляю касательное критическое напряжение ([1], ф.76):

;

; ;

;; ;

;

Нахожу ф и у в месте изменения сечения ([1], ф.72,73):

Проверка выполняется, следовательно, местная устойчивость стенки обеспечена.

2) Проверка местной устойчивости сжатого пояса: ([1], п. 7.24,табл.30)

;

Условие выполняется, значит, местная устойчивость пояса обеспечена.

2.7 Проектирование опорных частей главной балки Рисунок 11. Опорная часть балки Подбираю требуемое сечение опорного ребра из условий его работы на местную нагрузку:

;

Принимаю bop=15 см.

Принимаю top=1,5 см.

Проверяю опорную стойку балки на устойчивость относительно оси Z. Ширина участка стенки, включенного в работу опорной стойки:

;([1], табл.72)

Рисунок 12. К расчету опорной части балки

;

Проверка выполняется, значит, опорная стойка балки относительно оси Z устойчива.

Рассчитываю прикрепление опорного ребра к стенке балки двусторонними швами:

Принимаем полуавтоматическую сварку, тогда:

; ([2], табл.35)

;

; ([1], табл.3)

([1], п. 11.2); ;

1);

2);

Следовательно, расчет ведем по металлу шва.

Требуемый катет шва ([1], п. 12. 8) :

Минимальный и максимальный катет шва

Принимаю катет шва кш=8 мм.

Вычисляю длину рабочей части шва ([3], ф.11):

Ребро привариваем к стенке по всей высоте сплошными швами.

2.8 Проектирование монтажного стыка Рассмотрю два варианта проектирования монтажного стыка

1) Проектирование монтажного стыка на высокопрочных болтах.

Стык осуществляю посередине пролета балки, где М=2325,86 кНм, а Q=0, высокопрочными болтами диаметром 20 мм с .([1], табл.61*)

Рассчитаю несущую способность болта, имеющего две плоскости трения ([1], табл.131*):

Рассчитываю стык поясов:

Каждый пояс балки перекрываю тремя накладками сечениями 300Ч14 и 2Ч140Ч14мм, общей площадью сечения:

Усилие в поясе определяем по формуле:

Рассчитываю количество болтов для прикрепления накладок:

Принимаю 14 болтов.

Рассчитываю стык стенки:

Стенку перекрываю двумя вертикальными накладками сечением 1200Ч320Ч8 мм.

Определяю момент, действующий на стенку:

Принимаю расстояние между крайними рядами болтов ;

Нахожу коэффициент стыка:

. Значит принимаю 10 рядов с шагом 120 мм.

Проверяю стык стенки по формуле:

Рисунок 13. Монтажный стык балки болтами

2) Проектирование сварного монтажного стыка.

Рисунок 14. Монтажный стык балки сваркой Монтажный стык проектирую посередине пролета. На монтаже сжатый пояс и стенку всегда соединяют прямым швом встык, а растянутый пояс — косым швом под углом 600. Так как при монтаже автоматическая сварка и повышенные способы контроля затруднены, такой стык будет равнопрочным и не рассчитывается. Оставленные не заваренными на заводе участки поясных швов 500 мм заваривают при монтаже после сварки стыковых швов стенки и верхнего пояса.

2.9 Расчет сопряжений балок Так как в проекте принимается поэтажное сопряжение балок, то соединение балок конструируется с нерасчетными крепежными болтами. Для крепления вспомогательных балок и балок настила принимаю болты диаметром 20 мм и уголок.

Рисунок 15. Сопряжение главной балки со вспомогательной

3. Проектирование колонны

3.1 Подбор сечения колонны

1) Колонна сплошного сечения:

Для принятой расчетной схемы ;

Принимаю гибкость колонны ;

([1] табл. 72);

Требуемая площадь сечения колонны:

Рисунок 16. К подбору сечения колонны Расчетная длина колонны: ;

Требуемый радиус инерции: ;

Принимаю для колонны двутавр № 30 К2 с и iy = 7,54 см Вычисляю фактическую гибкость колонны:

Вычисляю требуемую гибкость колонны ([1], табл.19*): ;

;

;

;

Рисунок 17. Расчетная схема колонны

2) Колонна сквозного сечения:

Принимаю для колонны швеллер № 30

; ;

Проверка относительно материальной оси:

;

([1] табл. 72);

;

Рисунок 18. Колонна сквозного сечения

; из 2х швеллеров

;

;

Прочность обеспечена Принимаю для колонны двутавр № 30

; ;

Проверка относительно материальной оси:

;

([1] табл. 72);

;

Рисунок 19. Колонна сквозного сечения

; из 2х двутавров

;

Сравнивая варианты сечений по площади и весу, делаю вывод: наиболее экономичным является колонна сквозного сечения из двух швеллеров № 30 .

Определяю расстановку ветвей, предельный шаг соединительных планок и выполняю проверку устойчивости колонны.

л2х = л2пр =лу2 +л2 В (1−1);

Приму лв = 35

лпр = lp/ix=770/12,3=62,6

л2у=62,62−352; лу = 51,9

iy=lp/лy=770/51,9=14,84

iy=у*b>b=iy/у=14,84/0,44=33,7=350мм

lb=лb*i1−1=35*2,84=99,4 см =1000мм-шаг планок Проверка сечения колонны относительно свободной оси.

Вычисляю момент инерции колонны относительно оси Y:

;

Вычисляю радиус инерции колонны относительно оси Y:

;

Вычисляю фактическую гибкость одной ветви:

;

Вычисляю гибкость колонны:

;

Вычисляю приведенную гибкость колонны:

;

([1] табл. 72);

Вычисляю напряжение в колонне:

Рисунок 20. Стержень колонны с планками Проверка выполняется.

3.2 Оголовок колонны:

Так как балка крепится к колонне сбоку, то вертикальная реакция передается через опорное ребро балки на столик, приваренный к стенкам колонны. Ширину опорного столика назначаю конструктивно:

;

Толщину опорного столика принимаю 40 мм.

Сварку примем полуавтоматическую.

Принимаю катет шва ;

Вычисляю требуемую длину швов:

Длина одного шва:; ;

;

Принимаем высоту столика: ;

Рисунок 21. Оголовок колонны

3.3 Конструктивное оформление колонны:

В сквозных стойках вместо ребер ставятся диафрагмы, их размещение совмещаю с соединительными планками, с шагом 1 м < 4 м.

Соединительные планки.

Уточняю размеры планки:

;

Ширина планки: ;

Шаг планок: ;

Поперечная сила приходящаяся на планку: ;

Изгибающий момент и поперечная сила в месте Рисунок 22. Размещение диафрагмы прикрепления планки:

;

;

Принимаю катет шва 10 мм.

Принимаю ручную сварку, тогда:

; ([2], табл.35)

;

; [1], табл.3) ([1], п. 11.2); ;

1);

Рисунок 23. К расчету планок

2);

Следовательно, расчет веду по металлу шва.

Момент сопротивления шва:

;

Расчетная площадь шва:

;

Вычисляю напряжение в шве от момента и поперечной силы:

;

;

Проверяю прочность шва по равнодействующему напряжению:

проверка обеспечена

3.4 Проектирование шарнирной базы колонны Вычисляю нагрузку на базу колонны:

;

Вычисляю требуемую площадь плиты базы:

; ;

гb = 1.2 — коэффициент условия работы бетона под опорной плитой, учитывающей повышение его прочности за счет подкрепляющего влияния периферийных зон фундамента, выступающих за пределы плиты Принимаю ширину плиты: ;

Вычисляю требуемую длину плиты:

Принимаю длину плиты ;

Рассчитываю фактическое напряжение, передаваемое на бетон колонной:

Конструируем базу колонны с траверсами толщиной 10 мм.

Вычисляю изгибающие моменты на разных участках для определения толщины плиты ([4], ф.VIII.39,VIII.40):

Участок 1:

Участок 2: > в=0,06([4], табл.VIII.8)

Участок 3: б=0,0598 ([4]таб.VIII.7)

Рисунок 24. База колонны Принимаю толщину плиты 30 мм;

Произвожу расчет швов: принимаю ручную сварку.

Швы, крепящие траверсу к колонне: принимаю

;

Вычисляю требуемую высоту траверсы:

Принимаю высоту траверсы 300 мм.

Швы, крепящие траверсу к опорной плите:

Вычисляю требуемый катет шва:

Принимаю минимальный катет шва 8 мм.([1], таб.38*)

Проверяю прочность швов:

Приварку торца колонны к плите выполняем конструктивными швами К=6 мм, т.к. эти швы в расчете не учитывались.

Принимаем диаметр анкерных болтов 24 мм с ([1], табл.62*).

Определяю несущую способность болта на растяжение:

;

([1], табл.60*); ([1], табл.35).

Рисунок 25. Расчетная схема крепления базы Принимаю два швеллера № 5

1. СНиП II-23−81. «Стальные конструкции. Нормы проектирования», 1982 г.

2. СП 53−102−2004 «Стальные конструкции», 2005 г.

3. Методические разработки кафедры строительных конструкций

4. «Металлические конструкции», под ред. Г. И. Беленя; Москва, 1986 г-560 с