Федеральне агентство з освіти
Державна освітня установа вищої
професійної освіти
Кафедра: Будівельних конструкцій
Курсовий проект з дисципліни
"Металеві конструкції"
На тему: "Проектування металевої балочної конструкції"
Виконав: ст. гр. ПГС
Маковецький О.О.
Перевірив:
Тонков Л.Ю.
Перм 2009
Зміст
1. Вихідні дані
2. Компонувальний рішення
3. Розрахунок і конструювання балок
3.1 Допоміжні балки
3.1.1. Збір навантажень
3.1.2. Силовий розрахунок
3.1.3. Призначення типу перерізу допоміжних балок і марки стали
3.2 Головні балки
3.2.1 Силовий розрахунок
3.2.2 Компонування перетину і перевірка міцності та загальної стійкості
3.2.3 Зміна перерізу головної балки
3.2.4 Перевірка загальної стійкості і деформативності балок
3.2.5 Перевірка місцевої стійкості балок
3.2.6 Розрахунок поясних швів, опорних частин балок, вузлів сполучень балок
4. Розрахунок і конструювання колон
4.1 Вибір розрахункової схеми
4.2 Компонування перерізу колони
4.3 Перевірка перерізу колони
4.4 Конструювання і розрахунок оголовка колони
4.5 Конструювання і розрахунок бази колони
4.6 Підбір перерізу зв'язок по колонах
Література
Вихідні дані
Довжина прольоту
L
10.2
м
Довжина другорядної балки
l
6.2
м
Висота колони
H до
7.8
м
Товщина плити настилу
t пл
8
см
Навантаження
q н
13
кН / м 2
Схема прольоту
Компонувальний рішення
Проектування споруди починаємо з призначення компоновочной схеми, в якій за основу, приймаємо балочную клітину нормального типу, що спирається на центрально-стислі колони. Стійкість споруди в площині головних балок забезпечується шляхом примикання цих балок до жорсткого блоку (для робочих майданчиків - це каркас будівлі цеху). У площині, перпендикулярній головним балках, стійкість споруди забезпечується шляхом постановки зв'язок по колонах, тобто створенням диска.
Розрахунок і конструювання балок
3.1 Допоміжні балки
3.1.1 Збір навантажень
Навантаження на допоміжні і всі нижележащие конструкції складається з постійної складової і тимчасової (корисної) навантаження.
Збір навантажень на робочий майданчик:
№ п / п
Найменування навантаження
Нормативна навантаження, кН / м 2
Розрахункове навантаження, кН / м 2
Постійне навантаження
1
Пол асфальтобетонний:
0.72
1.3
0.94
t =
40
мм
=
18
кН / м 3
2
Монолітна з / б плита:
2.00
1.1
2.2
t =
8
мм
=
25
кН / м 3
3
Власний вага другорядних балок:
0,20
1.05
0.21
Разом постійне навантаження q:
2.92
3.35
4
Корисне навантаження p:
13
1.2
15.6
Всього навантаження (q + p):
15.92
18.95
Силовий розрахунок
Погонна навантаження на допоміжні балки дорівнює:
g = (p + q) · a = 18.95 · 1.7 = 32.215 кН / м.
Опорні реакції:
V A = V B = g · l / 2 = 32.215 · 6.2 / 2 = 99.867 кН.
Максимальний згинальний момент:
M max = g · l 2 / 8 = 32.215 · 6.2 ² / 8 = 154.793 кНм.
Максимальна поперечна сила:
Q max = V A = 99.867 кН.
Призначення типу перерізу допоміжних балок і марки стали
Перетин приймаємо у вигляді сталевого гарячекатаного двутавра з паралельними гранями полиць по ГОСТ 26020-83.
Марка стали С255. Розрахунковий опір марки стали R y (за межею текучості) приймаємо по Снипу II -23-81 *: R y = 240 МПа.
Перетин балок призначаємо з умови міцності:
σ = M max · γ n / C 1 · W n, min £ R y · γ c, (3.1.1)
де М max - максимальний розрахунковий згинальний момент в балці;
W n, min - момент опору перерізу балки, тобто потрібного W тр;
γ с - коефіцієнт умов роботи балки, γ c = 1 (СНиП II -23-81 *);
γ n - Коефіцієнт надійності, γ n = 0.95;
З 1 - коефіцієнт, приймаємо рівний З 1 = З = 1.12 (СНиП II -23-81 *).
З умови міцності (3.1.1) знаходимо необхідний момент опору:
W тр = М max · γ n / C 1 · R y · γ c, (3.1.2)
W тр = 154.793 · 10 3 · 0.95 / 1.12 · 240.10 6 · 1 = 547.073 см ³.
Знаючи W тр = 547.073 см ³, підбираємо по сортаменту СТО АСЧМ 20-93 Б, найближчий номер профілю з надлишком, W x> W тр і виписуємо з сортаменту для нього геометричні характеристики:
Двутавр 35 Б1:
W y = 641.3 м ³; W z = 91 м ³;
I y = 11095 см 4; I z = 791.4 см 4;
i y = 14.51 см; i z = 3.88 см;
S y = 358.1 м ³; I t = 13.523 см 4;
A = 52.68 см 2;
t = 9 мм;
b = 174 мм;
h = 346 мм ;
s = 6 мм.
Проводимо перевірки міцності:
σ = M max · γ n / C 1 · W y £ R y · γ c, (3.1.3)
де по Снипу II -23-81 * C 1 = 1.09.
σ = 154.793 · 10 ³ · 0.95 / 641.3 · 10 -6 · 1.09 = 210.4 МПа.
σ = 210.4 МПа <R y · γ c = 240 МП a,
τ = Q max · γ n / hw · tw (3.1.4)
τ = 99.867 · 10 ³ · 0.95 / 6.10 -3 · 328.10 -3 = 48.21 МПа.
перевірка міцності виконуються.
Перевірку деформативності балок виробляємо від дії нормативних навантажень та при рівномірно розподіленому навантаженні використовуємо формулу:
ƒ / l = 5 · g н · l 3 / 384 · E · I y £ [ƒ / l], (3.1.5)
де l - проліт балки, рівний l = 6.2 м;
g н = (p н + q н) · a = 27.064 кН / м;
Е = 2,06 · 10 5 МПа;
[Ƒ / l] - нормований відносний прогин балки,
приймаємо по Сніпу II -23-81 *: [ƒ / l] = 1/200.556.
ƒ / l = 5.27 .064 · 10 3 · 6.2 3 / 384.2 .06 • 10 6 · 11095.10 -6 = 6.375 · 10 -3.
ƒ / l = 6.375 · 10 -3 <[ƒ / l] = 4.986 · 10 -3,
перевірка деформативності виконується.
Перевірка загальної стійкості балок здійснюється за формулою:
σ = M max · γ n / φ b · W y £ R y · γ c, (3.1.6)
W y - прийнятий момент опору балки;
γ з = 0.95 при перевірці стійкості;
φ b - коефіцієнт, визначений за Сніпу II -23-81 *.
Визначаємо φ b , Знаходимо за формул e:
φ 1 = ψ · I z / I y · (h / l ef) ² · E / R y (3.1.7)
де h - висота перерізу балки;
ψ - коефіцієнт, визначаємо за формулою:
ψ = 1,6 + 0.08 · α (3.1.8)
α = 1.54 · It / Iz · (l ef / h) ² (3.1.9)
α = 1.54 · 13.523/791.4 · (6.2/0.346) 2 = 8.449;
ψ = 1.6 +0.08 ∙ 8.449 = 2.276;
φ 1 = 2.276 · 791.4/11095 · (0.346/6.2) 2 · 2.06 · 10 5 / 240 = 0.434;
φ 1 <0.85 → φ b = φ 1;
σ = 154.793 · 10 3 · 0.95/641.3 · 10 -6 · 0.434 = 528.4 МПа;
Перевірка загальної стійкості не виконується. У зв'язку з тим, що настил з / б стійкість забезпечиться.
3.2 Головні балки
3.2.1 Силовий розрахунок
F = 2 · R В.Б. · α = 2.99 .867 · 1.05 = 209.721 кН;
V A = V B = 30.6 · F / L = 30.6 · 209.721 / 10.2 = 629.763 кН;
M max = 5.1 · V A - 7.65 · F = 5.1 · 629.163 - 7.65 · 209.721 = 1604.366 кНм;
Q max = V A = 629.763 кН.
Компонування перетину і перевірка міцності та загальної стійкості
Головні балки проектуються зварними складеного перерізу. Тип перетину - симетричний двутавр. Компонування перетину починається з призначення висоти балки 'h'. У нашому випадку висота балки призначається виходячи з двох критеріїв:
1. З умови економічності.
2. З умови жорсткості балки.
Виходячи, з умови мінімального витрати сталі, висота балки визначається при h ≤ 1.3 за формулою:
h опт = k · Ö W т р / t w, (3.2.1)
де h - Висота балки, визначається в першому наближенні як h ≈ 0.1 • L, h ≈ 1.02 <1.3 м;
L - Проліт головної балки;
к = 1.15 - для балок постійного перерізу;
γ з = 1.
W тр = M max · γ n / R y · γ c, (3.2.2)
W тр = 1604.366 · 10 3 · 0.95 / 240.10 6 · 1 = 6351 см ³,
t w = [7 + 3 · (h, м)], 3.2.3)
t w = 7 + 3.1 .02 = 10.06 мм, округляємо кратно 2 мм: t w = 12 мм,
h опт = 1.15 · Ö 6351 / 1.2 = 83.662 c м <1.3 м.
З умови забезпечення необхідної жорсткості:
h min = 5 · R y · Γ c · L · [L / ƒ] · (p н + q н) / [24 · E · (p + q) · γ n], (3.2.4)
де по Снипу II -23-81 *: [L / ƒ] = 1/211.667,
h min = 5.240.10 6 · 1.10 .2 · 211.667 · 15.92 / [24.2 .06 · 10 6 · 18.95 · 0.95] = 47.7 см.
З отриманих висот h опт, h min приймаємо велику h = h опт = 83.662 см, дотримуючись рекомендацій при h <1 м - приймаємо h кратну 5 см, тобто h = 85 см. Мінімально допустима товщина стінки з умови міцності на зріз визначається за формулою:
t w (min) ³ 1.5 · Q розр · γ n / H ef · R s · γ c, (3.2.5)
де R s - Розрахунковий опір сталі зрушення в залежності від значення R y:
R s = 0.58 · R y;
R s = 0.58 · 240.10 6 = 139.2 МПа;
h ef - розрахункова висота стінки, що дорівнює h ef = 0.97 · h.
h ef = 0.97 ∙ 85 = 82 см;
t w (min) ³ 1.5 · 629.163 · 10 3 · 0.95 / 0.82 · 139.2 · 10 6 = 7.86 мм.
Оскільки t w (min) > 6 мм, то згідно сортаменту, товщиною кратною 2 мм., Приймаємо товщину стінки t w = 8 мм.
Повторюємо обчислення:
h опт = 1.15 · Ö 6351 / 0,8 = 102.465 c м> 1 м округляємо кратно 10 см → h = 110 см
t w (min) ³ 1.5 · 629.163 · 10 3 · 0.95 / 1.1 · 139.2 · 10 6 = 6.036 мм> 6 мм → t w = 8 мм.
Для визначення значень b f, t f необхідно знайти необхідну площу пояса А f за формулою:
A f = 2 · (I y - I w) / h ², (3.2.6)
де I y - необхідний момент інерції, що визначається за формулою:
I y = W тр · h / 2, (3.2.7)
I w - момент інерції стінки перерізу, що визначається за формулою:
I w = t w · h ef 3 / 12, (3.2.8)
I y = 6351.110 / 2 = 349 300 см 4,
I w = 0.8 · 106.7 ³ / 12 = 80980 см 4,
отримуємо:
A f = 2 · (349300 - 80980) / 110 ² = 44.35 см ².
Ширину пояса вибираємо з умови:
b f = (1 / 3 - 1 / 5) · h, (3.2.9)
t f = A f / b f, (3.2.10)
b f і t f призначаємо з урахуванням сортаменту на листову сталь, при цьому має виконуватися умова:
b f / t f <| b f / t f | » Ö E / R y. (3.2.11)
b f = (1 / 3 - 1 / 5) · 110 = 289.5 мм, округляємо кратно 20 мм → b f = 300 мм;
тоді
t f = 44.35/30 = 1.49 см, округляємо кратно 2 мм → t f = 16 мм;
Відповідно до сортаментом та розрахунком приймаємо такі величини за ГОСТ 82-70: t f = 16 мм, b f = 300 мм.
Остаточне значення:
A = A w + 2 · A f ,
A w = h ef · T w = 106.8 · 0.8 = 85.14 c м ²,
тоді
А = 85.14 + 2 • 44.35 = 174.14 c м ²,
I y = t w · h ef 3 / 12 + 2 · (b f · t f 3 / 12 + b f · t f · (h / 2 - t f / 2) 2) (3.2.12)
I y = 0.8 · 106.8 3 / 12 + 2 · (30 · 1.6 3 / 12 + 30.1 .6 · (110 / 2 - 1.6 / 2) 2) = 363 200 c м 4,
тоді
W y = I y / (h / 2), (3.2.13)
W x = 363200.2 / 110 = 6604 c м ³,
W y = 6604 c м ³> W тр = 6351 см ³
S y = b f · t f · H 0 / 2 + (h ef · t w / 2 · h ef / 4) (3.2.14)
S y = 30.1 .6 · 108.4 / 2 + (106.8 · 0.8 / 2.106 .8 / 4) = 3742 c м ³.
Міцність перетину перевіряємо, виходячи, з припущення пружної роботи стали:
σ = M max · γ n / W x £ R y · γ c, (3.2.15)
по Снипу II -23-81 *: R y = 240 МПа,
σ = 1604.366 · 10 3 · 0.95/6604 · 10 -6 = 230.8 МПа <240 МПа
Перевірка по дотичних напруг:
τ = Q max · S y · γ n / I y · t w £ R s · γ c (3.2.16)
τ = 629.163 · 10 3 · 0.95/363200 · 10 -8 · 0.008 = 76.98 МПа
τ = 76.98 МПа <139.2 МПа
Перевірка міцності стінки на спільну дію σ y і τ yz:
Ö σ y ² + 3 · τ yz ² £ 1.15 · R y · γ c , (3.2.17)
σ y = M max · γ n · h ef / 2 · I y , (3.2.18)
σ y = 1604.366 · 10 3 · 0.95 · 1.068 / 2.363200.10 -8 = 224.1 МПа;
τ yz = Q max · γ n / T w · h ef (3.2.19)
τ yz = 629.163 · 10 3 · 0.95/0.008 · 1.068 = 69.96 МПа;
Ö 224.1 ² + 3.69 .96 ² £ 1.15 · 240.1,
254.763 МПа <276 МПа.
3.2.3 Зміна перерізу головної балки
У однопрогонових шарнірно опертих балках доцільно змінювати її перетин відповідно до епюр згинаючих моментів. Слідуючи рекомендаціям, зміна перерізу виробляємо шляхом зменшення b f, залишаючи без зміни h, t f, t w.
Для цього ширину пояса b f 1 у кінцевій частині балки призначаємо рівної (0.5 - 0.75) • b f, прийнятої для перетину з розрахунковим моментом М розр. При цьому, дотримуючись умови:
b f 1 ³ 0.1 · h і b f 1 ³ 160 мм (3.2.20)
b f 1 = (0.5 ÷ 0.75) · b f = 220 мм,
220> 110 мм,
b f 1 = 220 мм.
Для призначеної ширини пояса b f 1 = 22 см, додаткові умови виконуються.
Після призначення b f 1 знаходимо геометричні характеристики I y 1, W y 1, S y 1.
I y1 = I w +2 · I f1 = t w · h ef 3 / 12 + 2 · (b f1 · t f 3 / 12 + b f1 · t f · (h / 2 - t f / 2) 2)
I y1 = 0.8 · 106.8 3 / 12 + 2 · (22.1 6 3 / 12 + 22.1 .6 · (110 / 2 - 1.6 / 2) 2) = 292 700 c м 4;
W y1 = 2 · I y1 / h = 292700.2 / 110 = 5321.82 c м 3;
S y1 = h ef · t w / 2 · h ef / 4 + b f1 · t f · H 0 / 2 = 106.2 · 0.8 / 2.106 .2 / 4 + 22.1 .6 · 108.4 / 2 = 3092 c м 3;
Згинальний момент, який може бути сприйнятий зміненим перетином, визначається за формулою:
M 1 = W x 1 · R y · γ c, (3.2.21)
де γ з = 1.
M 1 = 5321.82 · 10 -6 · 240.10 6 · 1 = +1224 кНм.
Далі знаходимо відстань від опори балки до ординати М 1.
M 1 - V A · x + 2 · F · x - 713.052 = 0;
Вирішуємо рівняння відносно x:
1224 - 629.163 · x + 2.209 .721 · x - 713.052 = 0;
x = 2.436 м → x = 2.4 м.
Стик поясів у балках відносимо від перетину з ординатою М 1 в бік опор на 300 мм.
x - 300 = 2.4 - 0.3 = 2.1 м. Приймаємо: x = 2.1 м.
Згинальний момент в отриманому перерізі, буде дорівнює:
M розр = V A · 2,1 - F · 1.25 = 629.163 · 2,1 - 209.721 · 1.25 = +1059 кНм.
У місці зміни перерізу балки проводимо перевірки:
σ = M розр · γ n / W y 1 £ R y · γ c, (3.2.22)
σ = 1059.10 3 · 0.95 / 5231.82 · 10 -6 = 189 МПа <240 МПа;
τ = Q розр · S y 1 · γ n / I y 1 · t w £ R s · γ c, (3.2.23)
Q розр = V A - F = 629.163 -209.721 = 419.442 кН,
τ = 419.442 · 10 3 · 3092.10 -6 · 0.95 / 292700.10 -8 · 0.008 = 52.62 МПа <139.2 МПа.
Перевірка загальної стійкості і деформативності балок
f / l = Mmax n · L / 9.6 · EIy £ [f / L] = 1/211.667 (По Снипу II -23-81 *) (3.2.24)
Mmax n = Mmax / K, (3.2.25)
де k = (p + q) р / (p + q) н, (3.2.26)
k = 18.95/15.92 = 1.19> 1;
Mmax n = 1604.366/1.19 = 1348.21 кНм;
f / l = 1348.21 · 10 3 · 10.2 / 9.6 · 2.06 · 10 5 · 10 6 · 363200.10 -8 = 2.278 · 10 -3 <4.724 · 10 -3
Перевірка місцевої стійкості балок
Стінки балок для забезпечення їх місцевої стійкості слід зміцнювати поперечними ребрами, поставленими на всю висоту стінки. Ребра жорсткості потрібні в тому випадку, якщо значення умовної гнучкості стінки:
λ w = h ef / t w · Ö R y / E> 3.2, (3.2.27)
при відсутності рухомого навантаження
λ w = 106.8/0.8 · Ö 240/2.06 · 10 5 = 4.557> 3.2.
При цьому відстань між поперечними ребрами вздовж балки приймаємо, а = 1,7 м, яке не повинно перевищувати, а £ 2 · h ef. Поперечні ребра також встановлюватися в місцях додатку нерухомих зосереджених навантажень, від допоміжних балок і на опорах.
Ширина виступаючої частини ребра:
b h ³ h ef / 30 + 40мм, (3.2.28)
b h ³ 1068/30 + 40 = 75.6 мм,
після округлення до розміру кратного 10 мм, отримаємо b h = 100 мм.
Товщина ребра:
t s ³ 2 · b h · Ö R y / E, (3.2.29)
t s = 2.100 · Ö 240/2.06 · 10 5 = 6.827 мм,
приймаємо по сортаменту t s = 7 мм.
Розрахунок на стійкість стінки перевіряємо за формулою:
Ö (σ / σ cr) ² + (τ / τ cr) ² £ 1, (3.2.30)
σ cr = C cr · R y / λ w ², (3.2.31)
C cr = 35.5,
σ cr = 35.5 · 240.10 6 / 4.557 ² = 410.281 МПа;
τ cr = 10.3 · (1 + (0.76 / μ ²)) · R s / λ ef ², (3.2.32)
μ - відношення більшої сторони відсіку балки до меншої, тобто:
μ = a / h ef = 1.7/1.068 = 1.59,
λ ef = (d / t w) · Ö R y / E, (3.2.33)
d - менша з сторін відсіку балки, тобто h ef = 106.8 c м;
λ ef = (106.8/0.8) · Ö 240/2.06 · 10 5 = 4.557,
τ cr = 10.3 · (1 + (0.76/1.59 ²)) · 0.58 · 240.10 6 / 4.557 ² = 89.799 МПа;
σ = (Мср · γ n / I y) · y, (3.2.34)
τ = Q · γ n / (t w · h ef), (3.2.35)
y = h ef / 2 = 106.8 / 2 = 53.4 см.
На стійкість перевіримо друге відсік:
Мср = 891.314 кНм,
Q = 419.442 кН,
σ = (891.314 · 10 3 · 0.95/292700 · 10 -8) · 0.534 = 154.5 МПа;
τ = 419.442 · 10 3 · 0.95 / (0.008 · 1.068) = 46.64 МПа;
Ö (154.5/410.281) ² + (46.64/89.799) ² = 0.642 £ 1;
На стійкість перевіримо перший відсік:
Мср = 267.395 кНм,
Q = 629.163 кН,
σ = (267.395 · 10 3 · 0.95/292700 · 10 -8) · 0.534 = 46.34 МПа;
τ = 629.163 · 10 3 · 0.95 / (0.008 · 1.068) = 69.96 МПа;
Ö (46.34/410.281) ² + (69.96/89.799) ² = 0.787 £ 1;
На стійкість перевіримо 3-ої відсік:
Мср = 1426.103 кНм,
Q = 209.721 кН,
σ = (1426.103 · 10 3 · 0.95/363200 · 10 -8) · 0.534 = 199.2 МПа;
τ = 209.721 · 10 3 · 0.95 / (0.008 · 1.068) = 23.32 МПа;
Ö (199.2/410.281) ² + (23.32/89.799) ² = 0.551 £ 1;
На стійкість перевіримо четвертий відсік:
Мср = 1604.366 кНм,
Q = 0 кН,
σ = (1604.366 · 10 3 · 0.95/363200 · 10 -8) · 0.534 = 224.1 МПа;
τ = 0.10 3 · 0.95 / (0.008 · 1.068) = 0 МПа;
Ö (224. 1 / 410.281) ² + (0/89.799) ² = 0.5 46 £ 1;
Розрахунок поясних швів, опорних частин балок, вузлів сполучень балок
Розрахунок поясних швів зводиться до визначення необхідного катета кутового зварного шва k f. У балках, що проектуються, з однієї марки сталі, при статичному навантаженні необхідний катет шва дорівнює:
k f ³ (Q розр · S f) / (2 · I y · β f · R wf · γ wf · γ c), (3.2.36)
де S f - Статичний момент полиці балки;
β f = 1.1 - коефіцієнт, для автоматичного зварювання сталі з R y до 580 МПа;
γ wf = 1 - коефіцієнт умов праці шва;
R wf = 180 МПа - розрахунковий опір зварного кутового шва умовного зрізу, γ з = 1.
k f ³ (419.442 · 10 3 · 0.95 · 3092.10 -6) / (2.292700.10 -8 · 1.1 · 180.10 6 · 1.1) = 1.06 мм,
Приймаються k f = 6 мм.
Ділянка стінки складовою балки над опорою повинен зміцнюватися опорним ребром жорсткості і розраховуватися на поздовжній вигин з площини як стійка висотою l s = h, навантажена опорною реакцією V r. У розрахунковий переріз включається, крім опорних ребер і частина стінки.
Площа опорного ребра визначимо з умови зминання торця за формулою:
A s = b h · t s = V r · γ n / R p, (3.2.37)
R p = R un / γ m по Сніпу II-23-81 *: R un = 370 МПа, γ m = 1.025,
R p = 370/1.025 = 368.975 МПа,
A s = 629.163 · 10 3 · 0.95/368.975 · 10 6 = 17.05 м 2
Знаходимо ts:
t s = A s / bh = 17.05/22 = 0.758 см ≈ 8 мм → t s = 12 мм.
Тоді
δ £ 1.5 · t s = 1.5 · 12 = 18 мм.
Перевірка стійкості опорної стійки щодо осі x - x здійснюється за формулою:
σ = V r · γ n / φ · A £ R y · γ c, (3.2.38)
де А - розрахункова площа стійки, що дорівнює:
A = b h · t s + 0.65 · t w ² · Ö E / R y, (3.2.39)
A = 22.1 .2 + 0.65 · 0.8 ² · Ö 2.06 · 10 5 / 240 = 39.188 см ²;
φ - коефіцієнт поздовжнього згину, що визначається Сніпу II -23-81 *, в залежності від гнучкості:
λ = l ef / i x, l ef = h = 110 см
i x = Ö I x / A,
де I x - Для розрахункового перерізу:
I x = (t s · b h ³) / 12 + (0.65 · t w · Ö E / R y · t w ³) / 12 =
= (1.2 · 22 ³) / 12 + (0.65 · 0.8 · Ö 2.06 · 10 5 / 240.0 .8 ³) / 12 = 1140 см 4,
тоді:
i x = Ö 1140/39.188 = 5.394 см, λ = 110/5.394 = 20.393,
приймаємо: φ = 0,96,
σ = 629.163 · 10 3 · 0.95/0.96 · 39.188 · 10 -4 = 158.9 МПа <240 МПа.
Сполучення допоміжних балок з головними, за умовами завдання розраховуємо для випадку примикання допоміжної балки до поперечного ребра жорсткості головної балки. Сполучення виробляємо на зварюванні.
Розрахунок сполучення полягає в призначенні необхідного катета шва k f. Довжина шва l ω, визначається висотою стінки допоміжної балки l ω = h ef -1 см, де h ef = 0.85 · h - висота стінки прокатної балки до закруглення. При проектуванні ребер головних і допоміжних балок з однієї стали катет шва, дорівнює:
k f ³ V · γ n / (β f · L ω · R y · γ ωf · Γ c), (3.2.40)
де V - реакція допоміжної балки;
h ef = 0.85 · 30 = 25.5 см,
l ω = 25.5 - 1 = 24.5 см,
k f ³ 99.867 · 10 3 · 0.95 / (1.1 · 0.245 · 240.10 6 · 1.1) = 1.467 мм.
Приймаються k f = 6 мм.
4. Розрахунок і конструювання колон
Вибір розрахункової схеми
Визначення розрахункової стискає сили на колону виробляємо підсумовуванням опорних реакцій головних балок:
N = 2 · k · V, (4.1.1)
де k = 1.03 - 1.05 - коефіцієнт, що враховує власну вагу колони;
N = 2 · (1.03-1.05) · 629.163 = 1309 кН.
Умови спирання колон на фундаменти і схема зв'язок по колонах визначається наступними вимогами. Необхідно забезпечити геометричну незмінність споруди в площині і із площини головних балок. З площини головних балок геометрична незмінність, як правило, забезпечується встановленням вертикальних зв'язків по колонах. У площині головних балок шляхом прикріплення їх до нерухомих точок (каркасу будівлі).
При цьому необхідно прагнути до забезпечення одно стійкості колон: i x / i y = l ef, x / l ef, y. Це досягається шляхом раціонального вибору типу перетину і правильної орієнтації його в плані споруди.
Компонування перерізу колони
Стрижень колони конструюємо у вигляді прокатного швелера.
Необхідну площу перерізу колони, визначаємо за формулою:
A тр = N · γ n / 2 · φ · R y · γ c, (4.2.1)
де φ - коефіцієнт, на етапі компонування визначаємо за попередньо заданої гнучкості λ з, значення якої приймаємо за графіком [1], рис.7. При N = 1309 кН, λ з = 80, тоді φ = 0.686.
А тр = 1309 · 10 3 · 0.95 / 2 · 0.686 · 240 · 10 6 · 1 = 37.77 см ².
Використовуючи порівняно постійну залежність між радіусом інерції і габаритами перерізу, оцінюємо орієнтовні розміри швелера.
i x, тр = L ef, x / λ з, (4.2.2)
де L ef, x = L ef, y = l р
l г = H до + 0.5 м = 7.8 + 0.5 = 8.3 м,
i x, тр = 830/80 = 10.375 см;
За сортаментом ГОСТ 8240-89 приймаємо два швелера № 30
А 0 = 40.5 см 2; I x 0 = 5810 см 4;
I y 0 = 327 см 4; b = 100 мм;
t = 11 мм; i x 0 = 12 см;
h = 300 мм; i y 0 = 2.84 см;
z 0 = 2.52 см; s = 6.5 мм;
Переймаючись гнучкістю окремої вітки щодо власної осі λ з = 35 і шириною планки ds = 250 мм, знаходимо кількість планок на колоні:
m ³ l р / (Λ 1 · i1 + ds) - 1, (4.2.3)
де i1 = i y0,
λ 1 = λ з,
m ³ 830 / (35 · 2,84 + 25) - 1 = 5,672
m = 6,
l в = l г / (m +1) - ds, (4.2.4)
l в = 830 / (6 +1) - 25 = 96.571 см ≈ 94 см,
λ 1 = l в / i1, (4.2.5)
λ 1 = 94 / 2.84 = 33.099,
λ x = L ef, x / i x0, (4.2.6)
λ x = 830 / 12 = 69.167.
Для знаходження ширини перерізу використовують умова рівностійкого:
λ x = L ef, x = Ö λ y 2 + λ 1 лютого
λ y = Ö λ x 2 - λ 1 2, (4.2.7)
λ y = Ö 69.167 2 - 33.099 2 = 60.733,
i y, тр = L ef, y / λ y, (4.2.8)
i y, тр = 830 / 60.733 = 13.66,
Використовуючи відому залежність між радіусом інерції і габаритом перерізів, знаходять значення:
b тр = i y, тр / 0.44, (4.2.9)
b тр = 13.66 / 0.44 = 31.059 см,
b = 31 см.
Прийнятий розмір b повинен забезпечувати необхідний зазор між крайками полиць гілок:
b ³ 2 · bf + 100 мм,
b ³ 2 · 100 + 100 = 300 мм,
Конструювання планок:
Для забезпечення роботи колони, як безраскосной ферми планки повинні володіти достатньою згинальної жорсткістю щодо вільної осі х-х. Висота планки:
d s = (0.5 ÷ 0.8) · b (4.2.10)
d s = (0.5 ÷ 0.8) · 310 = 190 мм.
Довжина планки l s призначається такий, щоб нахлест на кожну гілку був не менше 5 t, де t - Найменша товщина з'єднувальних елементів. Товщину планок призначають у межах 6 ... 12 мм. таким чином, щоб забезпечити її місцеву стійкість:
t s = (1 / 10 ... 1 / 25) · d s (4.2.11)
Приймаємо: t s = 8 мм; d s = 180 мм; l s = 250 мм.
Перевірка перетину наскрізної колони
Для прийнятого перерізу визначаємо фактичні геометричні характеристики А, I x, I y, i x, i y і проводимо перевірки.
А = 2 · А 0 = 2.40 .5 = 81 см ²; (4.3.1)
I x = 2 · I x 0 = 2.5810 = 11620 см 4; (4.3.2)
I y = 2 • [I y0 + A 0 · (B 1 / 2) 2] = 2 · [327 +40.5 · (25.96 / 2) 2] = 14300 см 4; (4.3.1)
i x = i х 0 = 12 см; (4.3.3)
i y = Ö I y / A = Ö 14300/81 = 13.287 см. (4.3.1)
λ y = L ef, у / i у (4.3.4)
λ y = 830/13.287 = 62.467
λ х = L ef, х / i x (4.3.5)
λ х = 830/12 = 69.167;
Проводимо перевірки міцності гнучкості та загальної стійкості стрижня колони.
Перевірка загальної стійкості виконується за формулою:
N · γ n / Φ min · A £ R y · γ с, (4.3.6)
де φ min - визначається за максимальною величиною λ x, λ y;
приймаємо φ min = 0.758, тоді:
1309.10 3 · 0.95/0.758 · 81 = 202.5 МПа <240 МПа.
Перевірка виконується, тоді автоматично виконується перевірка міцності.
Перевірку гнучкості колон, виробляємо за формулами:
λ x = L ef, x / i x £ | λ |, λ y = L ef, y / i y £ | λ |, (4.3.7)
де | λ | - гранична гнучкість колон, визначаємо по Снипу II -23-81 *:
| Λ | = 180 - 60 · α, (4.3.8)
α = N · γ n / R y · γ c · A · φ min = 1309.10 3 · 0.95/240 · 10 6 · 1.81.10 -4 · 0.758 = 0.844; (4.3.9)
| Λ | = 180 - 60.0, 893 = 129.36
тоді:
λ = 830/12 = 69.17 <129.36; λ = 830/13.287 = 62.47 <129.36,
гнучкість колон забезпечена.
Розрахунок планок центрально-жатих колон і їх сполук ведуть на зусилля, що виникають від умовної поперечної сили, яку приймають постійною по всій довжині колони:
Q fic = 7.15 ∙ 10 -6 · (2330 - E / R y) · N · γ n / φ; (4.3.10)
Q fic = 7.15 · 10 -6 · (2330-2.06 ∙ 10 5 / 240) · 1309.10 3 · 0.95/0.758 = 17.26 кН,
де φ - коефіцієнт поздовжнього вигину, приймається в площині з'єднувальних елементів по λ ef . Умовна поперечна сила розподіляється порівну між планками двох граней:
Q s = Q fic / 2 (4.3.11)
Q s = 17.26 / 2 = 8.63 кН,
У кожній планці, як в стійці безраскосной ферми виникає поперечна сила:
F s = Q s · l / b (4.3.12)
F s = 8.63 · 10 3 · 0.25/0.31 = 6.96 кН,
і згинальний момент в місці прикріплення до гілок:
M s = Q s · l / 2 (4.3.13)
M s = 8.63 · 10 3 · 0.25 / 2 = 1.09 кНм,
Перевірка міцності планок:
σ = M s · γ n / W s ≤ R y · γ c (4.3.14)
W s = t s · d s 2 / 6 (4.3.15)
W s = 0.8 · 19 2 / 6 = 48.133 см 3
σ = 1.09 · 10 3 · 0.95/48.133 · 10 -6 = 39.18 МПа < 240 МПа.
Зварні кутові шви, що прикріплюють планки до гілок колони, розраховуються на спільну дію зусиль в планці M s і F s за формулами (перевірка міцності по металу):
Ö σ ω 2 + τ ω 2 ≤ R ωf · Γ ωf · Γ c (4.3.16)
σ ω = M s · γ n / W ω (4.3.17)
σ ω = 1.09 · 10 3 · 0.95/30.24 · 10 -6 = 34.24 МПа
τ ω = F s · γ n / A ω (4.3.18)
τ ω = 6.96 · 10 3 · 0.95/10.08 · 10 -4 = 6.56 МПа
W ω = β f · k f · l ω 2 / 6 (4.3.19)
W ω = 0.7 ∙ 0.8 · 18 2 / 6 = 30.24 см 3
A ω = β f · k f · L ω (4.3.20)
A ω = 0.7 · 0.8 · 18 = 10.08 см 2
Ö 34.24 2 + 6.56 2 = 34.863 ≤ 180 МПа
де β f - коефіцієнт проплавлення кутового шва β f = 0,7 мм.
l ω - розрахункова довжина зварного шва:
l ω = d s - 10мм (4.3.21)
l ω = 190 - 10 = 180 мм.
катет шва приймається в межах 6 мм ≤ K f ≤ 1.2 · t s Приймаємо: K f = 8 мм. Стрижень колони повинен зміцнюватися суцільними діафрагмами, розташовувані у кінців відправної елемента і по довжині колони не рідше ніж через 4 м. Діафрагмами служать опорні плити бази та оголовка колони.
Конструювання і розрахунок оголовка колони
Слідуючи рекомендаціям, маємо головні балки на колоні зверху з передачею навантаження на вертикальні консольні ребра.
Розрахунковими параметрами оголовка є:
габарити консольних ребер: ширина b s, висота h s і товщина t s;
катети швів кріплення ребер до стінки балки k f 1 і опорної плити k f 2;
товщина стінки стрижня колони в межах висоти ребер.
Висоту ребер h f призначаємо з умови міцності зварних швів, що кріплять ребра до стінки колони, не менше 0.6 · h, де h - висота перерізу колони:
h s £ (å l ω, тр / 4) + 1см, h s ³ 0.6 · h,
(4.4.1)
å l ω, тр = N · γ n / β f · k f · R ωf · γ ωf · γ c,
де N - Поздовжня сила в колоні;
k f - приймаємо за найменшою товщині зварюваних елементів, але не менше 6 мм;
å l ω, тр = 1309.10 3 · 0.95/0.7 · 0.008 · 180.10 6 · 1.1 = 123.4 см,
h s £ (123.4 / 4) + 1 = 23.425 см, h s ³ 0.6 · 30 = 31.85 см,
Прийнята висота ребра обмежується величиною:
85 · β f · K f = 85.1 .1 · 0.6 = 56.1 см.
Приймаються h s = 32 см.
Товщину ребра t s призначаємо з умови зрізу:
t s ³ 1.5 · Q · γ n / h s · R s · γ c, Q = N / 2, (4.4.2)
Q = 1309.10 3 / 2 = 654.5 кН,
t s ³ 1.5 · 654.5 · 10 3 · 0.95/0.24 · 139.2 · 10 6 · 1 = 2.1 см.
Приймаються t s = 2.2 см.
Ширину ребра b s призначаємо:
b s = 300 - 2.6 .5 = 287 мм = 28.7 см.
Прийнята товщина і ширина ребра повинні задовольняти умові опору зминанню торця під тиском опорного ребра балки та умови забезпечення місцевої стійкості. З умови зминання:
t s ³ N · γ n / R p · b см, (4.4.3)
де R p - визначаємо по Снипу II -23-81 *;
b см - Розрахункова довжина площадки зминання: b см = b s + 2 · t,
b s - Ширина опорного ребра балки;
t - Товщина опорної плити колони;
b см = 22 + 2.2 = 26 см,
t s ³ 1309.10 3 · 0.95/368.975 · 10 6 · 0.26 = 1.3 см.
З умови місцевої стійкості:
b s / t s £ 0.5 · Ö E / R y, (4.4.4)
28.7/2.2 = 13.0.5 <0,5 · Ö 2.06 · 10 5 / 240 = 14.65.
Перевіряємо стінку колони на міцність по зрізу в перерізах, де примикають консольні ребра:
τ = 1.5 · N · γ n / 2 · t w · h s, (4.4.5)
τ = 1.5 · 1309.10 3 · 0.95 / 4.0 .011 · 0.32 = 132.5 МПа ≤ 139.2 МПа.
Низ опорних ребер обрамляється горизонтальними поперечними ребрами товщиною 6 мм, щоб надати жорсткість ребрах, що підтримує опорну плиту, і зміцнити від втрати стійкості стінку стрижня колони.
Конструювання і розрахунок бази колони
Конструкція бази повинна забезпечувати рівномірну передачу навантаження від колони на фундамент, а також простоту монтажу колон. Слідуючи рекомендаціям, приймаємо базу з траверсами, що служать для передачі зусилля з поясів на опорну плиту.
Розрахунковими параметрами бази є розміри опорної плити. Розміри опорної плити визначаємо з умови міцності бетону фундаменту в припущенні рівномірного розподілу тиску під плитою.
Необхідна площа плити:
А пл = N · γ n / R ф, (4.5.1)
де R ф - розрахунковий опір бетону фундаменту:
R ф = R пр.б · ³ Ö А ф / А пл, (4.5.2)
А ф / А пл - відношення площі фундаменту до площі плити, попередньо приймаємо рівним: 1.1 - 1.2;
R пр. б - Призмова міцність бетону, приймаємо в залежності від класу бетону, для бетону В 12,5: R пр.б = 7.5 МПа;
R ф = 7.5 · ³ Ö 1.1 = 7.742 МПа,
А пл = 1309.10 3 · 0.95/7.742 · 10 6 = 1610 см ².
Для визначення розмірів сторін плити задаємося її шириною:
B пл = b f + 2 · t s + 2 · c, (4.5.3)
t s - товщина траверси, приймаємо 10 мм;
c - Ширина схилу, прийнята 60 - 80 мм;
У пл = 31 + 2.1 + 2.7 = 47 см.
Необхідна довжина плити:
L пл = А пл / У пл, (4.5.4)
L пл = 1610/47 = 34.26 см,
L пл = 35 см.
З конструктивних міркувань приймаємо розміри плити рівними: У пл = 48 см, L пл = 52 см. Повинно виконуватися умова:
L пл / У пл = 1 - 2, (4.5.5)
52/48 = 1.08.
Товщину плити визначаємо з умови міцності при роботі плити на вигин, як пластини, навантаженої рівномірно розподіленим навантаженням на площі контакту відсіччю фундаменту.
q = N · γ n / L пл · У пл, (4.5.6)
q = 1309.10 3 · 0.95/0.52 · 0.48 = 4982 кН / м ².
Опорну плиту уявляємо, як систему елементарних платівок, що відрізняються розмірами і характером спирання на елементи бази: консольні (тип 1), опертих по двох сторонах (тип 2), опертих по трьох сторонах (тип 3), опертих по чотирьох сторонах (тип 4) .
У кожної елементарної платівці визначаємо максимальний згинальний момент, що діє на смужці шириною 1см.
M = q · Α · D ², (4.5.7)
де d - Характерний розмір елементарної платівки;
α - коефіцієнт, що залежить від умови опертя і визначається за таблицями Б. Г. Гальоркіна;
Тип 1: Для консольної платівки за аналогією з балкою:
М = 4982.0 .5 · 0.08 ² = 15.942 кНм.
Тип 3:
b 1 / a 1 = 10.5/30 = 0.35,
b 1 = (L пл-h к) / 2 = (52 - 31) / 2 = 10.5 см,
a 1 = 30 см,
→ α = 0.5
d = b 1,
M = 4982.0 .5 · 0.105 ² = 27.46 кНм.
Тип 4:
b / a = 29.7/27.8 = 1.07,
b = 31 - 2.0 .65 = 29.7,
a = 30 - 2.1 .1 = 27.8 см,
→ α = 0.0529
d = a,
M = 4982.0 .0529 · 0.278 ² = 20.368 кНм.
Товщину плити визначаємо за більшим з моментів на окремих ділянках:
t пл ³ Ö 6 · M max / R y · γ c, (4.5.8)
t пл ³ Ö 6.27 .46 · 10 3 / 240.10 6 · 1 = 2.6 см,
приймаємо t пл = 2.6 см = 26 мм.
Висоту траверси визначаємо з умови прикріплення її до стрижня колони зварними кутовими швами, вважаючи при цьому, що діє в колоні зусилля рівномірно розподіляється між усіма швами. K f = 8 мм.
Необхідна довжина швів:
l ω, тр = N · γ n / β f · K f · R ωf · Γ ωf · Γ c, (4.5.9)
l ω, тр = 1309.10 3 · 0.95/0.9 · 0.008 · 180.10 6 · 1.1 = 96 см,
h m ³ (l ω, тр / 4) + 10 мм, (4.5.10)
h m ³ (96 / 4) + 1 = 25 см.
Приймаються h m = 25 см.
Траверсу перевіряємо на вигин і на зріз, розглядаючи її як однопрогонових двох консольну балку з опорами у місцях розташування зварних швів і завантажену лінійної навантаженням:
q 1 = q · B m, (4.5.11)
де В m - ширина вантажного майданчика траверси;
У m = У пл / 2 = 48 / 2 = 24 см.
q 1 = 4982.10 3 · 0.24 = 1196 кН / м.
При цьому в розрахунковий переріз включаємо тільки вертикальний лист траверси товщиною t s і висотою h m.
σ = 6 · M max · γ n / t s · h m ² £ R y · γ c, (4.5.12)
τ = 1.5 · Q max · γ n / t s · h m £ R s · γ c, (4.5.13)
де M max і Q max - максимальне значення згинального моменту і поперечної сили в траверсі.
M max = 7.24 кНм,
Q max = 179.4 кН,
σ = 6.7 .24 · 10 3 · 0.95/0.01 · 0.25 2 = 66.03 МПа <240 МПа,
τ = 1.5 · 179.4 · 10 3 · 0.95/0.01 · 0.25 = 102.3 МПа <139.2 МПа.
База колони кріпиться до фундаменту двома анкерними болтами, діаметром d = 24 мм.
Підбір перерізу зв'язок по колонах
Зв'язки по колонах служать для забезпечення геометричної незмінюваності споруди і для зменшення розрахункової довжини колон. Зв'язки по колонах включають діагональний зв'язок, що утворить спільно з колонами і розпіркою жорсткий диск і систему розпірок, що прикріплюють з'єднання колони до цього жорсткого диска. Кут нахилу діагоналей до горизонтальної площини α = 35 0.
Підбір перерізу зв'язків виробляємо за граничної гнучкості. Розрахункова довжина розпірок і діагональних зв'язків в обох площинах приймається рівною їх геометричній довжині.
При цьому розпірки зв'язку вважаються стислими, а елементи діагональних зв'язків розтягнутими.
Необхідний радіус інерції перерізу стержня:
i тр = l ef / | λ |, (4.6.1)
де | λ | - гранична гнучкість елементів, приймаємо по Сніпу II -23-81 *,
| Λ | = 400 - для розтягнутих елементів, | λ | = 200 - для стиснутих елементів;
l ef - розрахункова довжина.
Підбір перерізу діагональних зв'язків.
- Геометрична довжина дорівнює:
l = Ö L ² + l г ² = Ö 6.2 ² + 8.3 ² = 10.36 м,
- Розрахункова довжина дорівнює:
l = l ef = 10.36 м,
- Необхідний радіус інерції перерізу стержня дорівнює:
i тр = 10.36/400 = 0.0259 м = 2.59 см,
- По сортаменту, ГОСТ 8509-93, приймаємо розмір куточків, a = 10 мм: 56 '56' 5
Підбір перерізу розпірок:
- Геометрична довжина дорівнює:
l = B = 6.2 м,
- Розрахункова довжина дорівнює:
l ef = L = 6.2 м,
- Необхідний радіус інерції перерізу стержня:
i тр = 6.2/200 = 0.031 м = 3.1 см,
i = 0.21 · b,
b = 14.76 см,
- По сортаменту, приймаємо розмір куточків: 75 '75' 5
Література
Методичні вказівки до РГУ за курсом 'Металеві конструкції'. Новосибірськ: НГАСУ, 1998.
СНиП II -23-81 *. Сталеві конструкції / Держбуд Росії. - М.: ГУП ЦПП, 2003. - 90 С.
СНиП 2.01.07-85 *. Навантаження і впливи. - М.: ФГУП ЦПП, 2007. - 44 с.
Металеві конструкції: Загальний курс: Учеб. для вузів / Г. С. Веденніков, Є. І. Беленя, В.С. Ігнатьєва та ін; Під ред. Г. С. Веденнікова. - 7-е вид., Перераб. і доп. - М.: Стройиздат, 1998. - 760с.: Іл.
Металеві конструкції. У 3 т. Т 1. Елементи конструкцій / В. В. Горєв, Б. Ю. Уваров, В. В. Філіпов та ін; Під ред. В. В. Горєва. - 3-е вид., Стер. - М.: Висш.шк., 2004. -551 С.: Іл.