Балочная клетка

Казанский Государственный  Архитектурно-Строительный Университет

 

 

 

 

 

 

 

Кафедра МКиИС

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по металлическим конструкциям

на тему «Балочная клетка»

 

 

 

 

 

 

 

Студент СФ гр.7ПГ52з

Путин В.В.

………………………….07.02.2012

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Казань, 2012

 

Содержание

 

 

 

Введение

Разработка проекта балочной клетки имеет своей целью закрепить  теоретические знания по соответствующему разделу курса и дать необходимые  навыки в расчёте и конструировании металлических конструкций. По характеру рассматриваемых и решаемых задач курсовая работа разделена на две основные части: расчётную и графическую. В расчётной части выбирается вариант балочной клетки, выполняются расчёты настила, балок настила, вспомогательных балок, производится анализ и выбор наиболее экономичного решения балочной клетки. Затем выполняется расчёт конструктивных элементов принятого варианта балочной клетки, деталей и узлов.

В графической части  составляются чертежи балочной клетки в стадии КМ и КМД. В этой части разрабатываются: монтажная схема балочной клетки с маркировкой всех элементов, чертежи отправочных марок главной и вспомогательной балок, колонны, а также узлов сопряжения конструкций. Составляется спецификация стали и таблица отправочных марок.

 

Исходные данные:

• шифр 22224
• Продольный шаг колонн L=16м;
• Поперечный шаг колонн  l=6м;
• Нормативная полезная нагрузка р^н=1600кг/м²;
• Высота колонн  Н=8м;
• Марка стали С255;
• l_н =1,6м – для нормальной балочной клетки;
• l_н =1,6м – для усложненной балочной клетки;
• Шаг вспомогательных балок м.

 

 

 

 

1. Компоновка балочной клетки

 

Система несущих балок, образующих конструкцию перекрытия, называется балочной клеткой. Балочные клетки подразделяют на три основных типа: упрощенный, нормальный и усложненный. В курсовой работе же рассматриваем два варианта для выбора оптимальной компоновочной клетки, один из которых нормальный, а другой усложненный тип балочной клетки.

В нормальной балочной клетке балки настила опираются на главные  балки, которые устанавливаются на поддерживающие конструкции (колонны) в направлении большого пролета.

В усложненную балочную клетку по сравнению с нормальной вводят вспомогательные балки, передающие нагрузки с балок настила на главные  балки.

После компоновки выполняется расчет настила, балок настила и вспомогательных балок обоих вариантов, а затем принимается для дальнейшей разработки наиболее экономичный вариант.

Шаг балок настила зависит от несущей способности настила. Для упрощения узлов сопряжения балки настила не следует размещать в местах опирания главных балок на колонны и в монтажных стыках, которые располагаются в середине главных балок. Поэтому рекомендуется устанавливать четное количество балок настила в нормальном типе балочной клетки и вспомогательных балок в усложненной балочной клетке.

а)       б)

     

Рис. 1. а) - нормальная балочная клетка; б) - усложненная балочная клетка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчет несущего настила

Стальной настил рассчитывается для  двух вариантов балочной клетки. Из расчета на жесткость определяется отношение пролета настила к его толщине по формуле

где пролет настила; толщина настила; ; р^н – нормативная длительная нагрузка на настил, которая равняется полезной нагрузке по заданию.

По сортаменту на листовую сталь  ГОСТ 103-76* «Полоса стальная горячекатаная», выбираем t_н=10мм.

 

Рис. 2. Стальной настил

Растягивающее усилие в  настиле, по которому рассчитываются сварные швы, крепящие настил к балкам, находят по формуле: кН=402кг

где коэффициент надежности по полезной нагрузке по [3]; предельный прогиб [4].

Расчетную толщину углового шва, прикрепляющего настил к балкам,  находим по формулам:

см, см

где коэффициенты учитывающие глубину проплавления шва [2] (при ручной сварке );

 кгс/см² – расчетные сопротивления угловых сварных швов, определяемые по СНиП [2], табл. 3, 51 и 56;

Rwf = 180 (1850)МПа  (кгс/см²)

R_wz = 0,45×R_un = 0,45×3800=1710 кгс/см²

 – коэффициенты условий  работы [2], п. 4*, 11.2*. ( ). Катеты угловых швов следует принимать с учетом конструктивных требований СНиП [2], п. 12.8. 10мм.

3. Расчет балок настила и вспомогательных  балок

Расчет балок начинают с определения нагрузок. Погонная нормативная нагрузка на балку настила определяется по формуле:

Расчетная погонная нагрузка на балку настила определяется по формуле:

где коэффициенты надежности по нагрузкам; нормативная полезная нагрузка; пролет настила; кН/м³.

кН/м²

нормативная нагрузка от настила

кН/м

кН/м

А. Рассчитываем балку настила с пролетом м:

По расчетной нагрузке определяем изгибающий момент:

кН×м

Находим требуемый момент сопротивления для балок из сталей с пределом текучести до 530 МПа по формуле:

см³

где 240(2450) МПа (кгс/см²) расчетное сопротивление стали по пределу текучести [2], табл.51*; коэффициент условий работы [2], табл. 6* ( ).

По сортаменту прокатных профилей ГОСТ 8239-89 «Двутавры стальные горячекатаные», находится номер с моментом сопротивления, равным или больше требуемого.

Двутавр №33 597см³, 9840см⁴, m=42.2кг/м.

Прочность подобранного сечения балок из стали с пределом текучести до 530 МПа проверяется по формуле:

 кг/см² < 2205 кг/см²

где момент сопротивления сечения нетто; коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций по сечению, определяется по СНиП [2] п.5.18*,таб.66. при A_f/A_w=0,42

Делается проверка жесткости балок  по формуле:

l/200 = 3см

см < 3см

 

Б. Рассчитываем балку для второго варианта l = 2м:

По расчетной нагрузке определяем изгибающий момент:

кН×м

Находим требуемый момент сопротивления  для балок из сталей с пределом текучести до 530 МПа по формуле:

см³

Двутавр №14 см³, см⁴, m=13.7кг/м

кг/см²< 2205 кг/см²

A_f/A_w=0,52, с₁=1,12

Делается проверка жесткости  балок по формуле:

l/150=1,33см

см см

Рассчитываем вспомогательную балку м:

Погонная нормативная  нагрузка находится по формуле:

кН/м

Погонная расчетная  нагрузка находится по формуле:

кН/м

кН×м см³

Двутавр №36 см³, см⁴, m=48.6кг/м

кг/см² < 2205 кг/см²

A_f/A_w=0,4, с₁=1,15

Делается проверка жесткости  балок по формуле:

 l/200 = 3см

< 3см

 

№ варианта	Расход стали на 1м2 перекрытия, кг	Количество типоразмеров балок на ячейку
1	42.2	2 (главная балка, балка  настила) Двутавр №33
2	13.7+48.6=69.6	3 (главная балка, балка  настила, вспомогат. балка) Двутавр №14, 36

Для дальнейшего расчета  выбираем вариант №1, так как расход стали и количество типоразмеров меньше, чем во втором №2.

4. Расчет главной балки

4.1. Определение нагрузок и расчетных  усилий

Нормативная погонная нагрузка на балку:

кН/м

нормативная постоянная нагрузка от массы перекрытия по выбранному варианту (расход материала) и массы главной  балки, которая ориентировочно принимается  в размере 1-2% нагрузки на нее

Расчетная погонная нагрузка на балку:

кН/м

Расчетный изгибающий момент в середине балки определяется по формуле:

кН×м

Расчетная поперечная сила на опоре:

кН

4.2. Подбор сечения составной  сварной балки

Рис.3. Главная балка

Главную балку  следует принимать с изменением сечения по длине. Расчет ее выполняется  без учета развития пластических деформаций (предполагается, что стенка балки может быть не укреплена ребрами жесткости в местах приложения сосредоточенной нагрузки от балок настила [2] п.5.21). Подбор сечения начинается с определения требуемого момента сопротивления по формуле: см3 Затем определяется высота балки. Из условия наименьшего расхода стали определяется оптимальная высота балки

 

см

где конструктивный коэффициент, который равен 1,15 для сварных балок переменного по длине сечения; толщина стенки, которой предварительно задаются

 где  мм

Задаемся толщиной стенки 12 мм.

Из условия обеспечения жесткости  определяется минимальная высота балки  по формуле:

см

Высоту балки  рекомендуется назначать близкой к , но не меньше , определенной из условий жесткости. Она должна быть кратной 100 мм, исходя из ширины листов по сортаменту на прокатную листовую сталь. Поэтому высоту балки примем  h = 140см.

Затем окончательно установим толщину стенки из условий:

1) из условия определения  рациональной толщины стенки  по формуле

мм.

2) из условия работы  стенки на срез

см

3) из условия местной устойчивости без постановки продольных ребер жесткости:

см

4) минимальная толщина  стенки 8 мм (очень редко 6 мм). Толщина  стенки должна быть также согласована  c имеющимися толщинами прокатной  листовой стали по сортаменту. Толщину стенки балки рекомендуется назначать близкой к рациональной, учитывая все требования.

Принимаем толщину стенки t_w = 12мм.

Размеры горизонтальных поясных листов находят из условия  необходимой несущей способности  балки. Определяют требуемый момент инерции балки:

см⁴

момент инерции стенки

см⁴

h_w=h-2t_f=140-2×3=134см

Момент инерции приходящийся на поясные листы:

см⁴

Находим требуемую площадь  поперечного сечения поясного листа  по формуле:

см²

где h_z = 140-3=137см.

По требуемой  площади поперечного сечения  поясов балки назначаем их размеры  в соответствии с сортаментом  на прокатную листовую сталь ГОСТ 103-76*, учитывая следующие требования:

1) местной устойчивости  отношение ширины свеса сжатого пояса см к толщине t_f=3см не должно быть больше

 5,63см см.

2) для снижения остаточных  сварочных напряжений толщину  поясов балки рекомендуется назначать  не более 2-3 толщины стенки;