Главный инженер Государственного унитарного

Российской Федерации

Дальневосточный государственный университет

путей сообщения

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

СТАЛЬНОЙ БАЛОЧНОЙ КЛЕТКИ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ДЛЯ КУРСОВОГО И ДИПЛОМНОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ

 

двгупс

Хабаровск

1999

Министерство путей сообщения

Российской Федерации

Дальневосточный государственный университет

путей сообщения

 

 

Кафедра “Строительные

 конструкции”

В.А. Танаев

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

СТАЛЬНОЙ БАЛОЧНОЙ КЛЕТКИ

 

«Рекомендовано

редакционно-издательским отделом Советом ДВГУПС

в качестве учебного пособия по

специальности 2903»

 

Хабаровск

2000

 

 

УДК 624.014.001.63 (075.8)

ББК Н543+Н72

Т 180

Рецензенты:

Кафедра строительных конструкции Хабаровского

государственного технического университета (заведующий

кафедрой доктор технических наук, профессор

В.А. Кравчук

Главный инженер Государственного унитарного

предприятия Хабаровскгражданпроект

В.Т.Храпак

 

      Танаев В.А.

Т 180

Проектирование стальной балочной клетки: Учебное

пособие для курсового и дипломного проектирования. -Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2000. – 93 с.: ил.

 

Изложены с примером расчета основы проектирования конструкций стальной балочной клетки (вариантное проектирование, расчет настила, прокатной и составной балок, колонны с базой и оголовком).

Учебное пособие предусматривает поэтапное применение компьютерного комплекса, предназначенного контролировать процесс проектирования, а также при необходимости, выполнять проектирование в автоматизированном режиме.

Контролирующая программа позволяет студенту работать в диалоговом режиме и получать результат контроля на экране дисплея и в виде распечатки. Программа анализирует результаты проектирования на правильность и выдает адекватную оценку по расчетам с указанием характера ошибки. Контролирующий комплекс следует рассматривать, как элемент в дальнейшей информатизации учебного процесса, целью которой является радикальное повышение эффективности и качества подготовки специалистов с новым типом мышления, соответствующим современным требованиям.

Учебное пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения.

Рис. 29, Табл.10, список лит.– 5 назв.

УДК 624.014.001.63 (075.8)

ББК Н543+Н72

 

Ó Изд-во Дальневосточного государственного университета путей сообщения (ДВГУПС), 2000

Ó В.А. Танаев, 2000

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время большое внимание уделяется состоянию и эффективности внедрения новых технологий и компьютерных средств в учебный процесс, отказу от устаревших методик, не стимулирующих творческую работу студентов, сковывающих их академическую свободу.

Учебное пособие составлено к выполнению курсовой и дипломной работы по специальности «Промышленное и гражданское строительство» для очной и заочной форм обучения и включает три раздела:

· вариантное проектирование настила и прокатных балок;

· проектирование составной главной балки;

· проектирование колонны с базой и оголовком.

Каждый раздел проектирования контролируется на ЭВМ программным комплексом «МК-1», разработанным на кафедре «Строительные конструкции» А.Я. Глушанковым. Составлены два варианта программного комплекса. Первый – для работы в среде MS-DOS версии 3.3 и выше на компьютерах IB M-PC/XT и более современных (наличие арифметического сопроцессора обязательно) и второй – (автор В.А. Титаев) «МК-1 For Window’s» – для работы под управлением операционной системы Window’s 95 и более поздних версиях Window’s систем.

К выполнению курсовой работы студент приступает после изучения начальных разделов курса «Металлические конструкции», включающих свойства строительных сталей, основы расчета конструкций, сварные и болтовые соединения, прокатные и составные балки, центрально загруженные колонны.

Эти разделы хорошо изложены в учебнике [3]. При этом основными нормативными документами являются [1] и [2]. Расчеты конструкций должны выполняться с соблюдением Международной системой единиц (СИ), в соответствии с нормами СН 528-80 «Перечень единиц физических величин, подлежащих применению в строительстве».

При выполнении курсовой работы студент приобретает навыки расчета и конструирования стальных конструкций и средств их соединения.

 

Общие требования и методические рекомендации

 

Исходными данными проектирования являются основные размеры рабочей площадки в плане и по высоте, толщина листов настила, временная нагрузка и сталь конструкций.

В конструкции стальной балочной клетки листы настила укладываются по прокатным балкам и привариваются к ним. Расстояние между балками определяется жесткостью и прочностью настила. Приварка настила к балкам делает невозможным сближение опор настила при его изгибе, что вызывает в нем растягивающие усилия, уменьшающие момент в пролете.

При известной толщине настила определяют его пролет из условия предельного прогиба, а затем проверяют прочность. Так же, из условия минимального расхода стали, подбираются сечения прокатных балок. Получение единственного оптимального решения контролируется на ЭВМ.

К дальнейшему расчету принимается вариант с наименьшим расходом стали.

Далее выполняется расчет составной сварной главной балки, свободно опертой на колонны и загруженной сосредоточенной нагрузкой от вспомогательных балок. Главные балки могут опираться на колонны сверху (через оголовок) или сбоку (через опорный лист).

Производится компановка сечения составной главной балки с определением ее оптимальной высоты из условия минимального расхода стали при соблюдении прочности и предельной величины прогиба. С целью экономии расхода стали у опор уменьшаются размеры сечения за счет ширины поясных листов или высоты балки. Проверяется местная устойчивость стенки и полок, а также общая устойчивость главной балки. Общую устойчивость можно не проверять, если нагрузка на балку передается через жесткий железобетонный или стальной настил, приваренный к сжатому поясу балки. Колонны принимаются сплошного или сквозного сечения. Выполняется расчет и конструирование стержня колонны, базы и оголовка.

Конструкции должны иметь минимальные сечения, удовлетворяющие требованиям норм проектирования, с учетом сортамента на прокат, а в составных сечениях недонапряжение не должно превышать пяти процентов.

Расчеты оформляются в виде пояснительной записки, которая должна содержать краткие пояснения, ссылки на источники (СНиП, ГОСТ и др.), выводы по результатам расчетов и поясняющие расчетные схемы узлов и соединений.

После проверки расчетов на ЭВМ выполняются чертежи конструкций.

Графически курсовая работа оформляется на листе формата А1, где приводится план и боковой вид балочной клетки со связями жесткости и спецификаций конструктивных элементов.

Выполняются чертежи главной и вспомогательной балок и балки настила, чертежи колонны с базой и оголовком. Составляется спецификация стали.

Оформление пояснительной записки

 

Пояснительная записка является текстовым документом проекта. Содержание и оформление ПЗ должно отвечать требованиям Единой системы конструкторской документации, которые регламентируются. [6].

 

 

Пример расчета стальной балочной клетки

 

Требуется составить два варианта балочного перекрытия рабочей площадки (нормального и усложненного типа).

В каждом варианте по заданной толщине настила расчетом определяется его пролет и подбираются сечения прокатных балок (вспомогательной и балки настила).

После выбора варианта к дальнейшему проектированию, рассчитывают составную сварную главную балку площадки, а также колонну с базой и оголовком.

Исходные данные

Временная нагрузка 18 кН/м^{2 ;}

Толщина настила   площадки нормального типа – 10 мм;

                                    площадки усложненного типа – 6 мм;

Пролет главной балки – 16.5 м;шаг главных балок – 6 м;

Габарит помещения под перекрытием – 6.7 м;

Отметка верха настила – 8.4 м;

Тип сечения колонны – сплошная (сквозная);

Сталь настила и прокатных балок – С235;

Сталь главной балки и колонны – С255.

 

2.1. Разработка вариантов стальной балочной клетки

Вариант 1. Балочная клетка нормального типа

Расчет настила

Таблица 1

Сбор нагрузки на 1м² настила

 

	Наименование нагрузки	Нормативная (кН/м2)	gf	Расчетная (кН/м2)
1	Временная P	18	1.2	21.6
2	Собственный вес настила где удельный вес стали –	0.77	1.05	0.81
	Итого

 

 

Средняя величина коэффициента надежности по нагрузке

Принимаем расчетную схему настила (рис.4).

 

Рис.4 Расчетная схема настила

                       1–настил; 2–балка настила; 3–сварные швы

 

Сварные швы крепления настила к балкам не дают возможности его опорам сближаться при изгибе. Поэтому в настиле возникают растягивающие цепные усилия . Защемление настила сварными швами на опорах в запас не учитывают, считая опоры шарнирно неподвижными. Изгиб настила происходит по цилиндрической поверхности. Цилиндрический модуль упругости стали определяется по формуле:

 

.

 

В расчете определяется наибольший пролет полосы настила единичной ширины при заданной толщине листа  и предельном прогибе

 

.                    (1)

 

В нашем примере после подстановки величин   и  в формулу (1), получаем:

 

          

                                             (2)

 

В целях экономии стали пролет  следует принимать как можно ближе к  так, чтобы длина главной балки была кратна пролету . Так как величина   зависит от пролета настила , задачу решают попытками, принимая пролет настила в интервале от 0.5 до 2.5 м. Принимаем  В этом случае пролет  укладывается одиннадцать раз по длине главной балки:  По табл.1 Приложения интерполяцией находим предельный прогиб   для пролета :

Далее, по формуле (2) вычисляется наибольший пролет:

 

 

Так как принятый пролет настила превышает предельный  увеличиваем число пролетов настила на один и получаем:  Интерполяцией по табл.1 Приложения вновь определяем  и повторно находим наибольший прогиб:

         

 

Так как  на этом расчет заканчиваем.

В целях упрощения крепления балки настила к главной у ее опоры, смещаем на половину шага в пролет первую и последнюю балки настила. Тогда разбивка главной балки на панели имеет вид:  (рис.5).

 

 

 

Рис.5 Схема балочной клетки нормального типа (1 вариант)

            1- колонна; 2- главные балки; 3-балки настила.

 

Проверка прогиба настила

Вначале вычисляется балочный прогиб, то есть прогиб от поперечной нагрузки в середине полосы шириной  метр, имеющей цилиндрическую жесткость , без учета растягивающей силы :

 

 

 

Прогиб настила с учетом растягивающей силы  определяется по формуле:  Коэффициент  находится из решения кубического уравнения                                           (3)

Для решения примем , тогда ,

где  

 

В нашем случае: ;

 

;

 

;

 

прогиб настила

 

относительный прогиб

 

предельный прогиб

 

Так как  проверка прогиба удовлетворяется.

 

Проверка прочности настила

Изгибающий момент с учетом приварки настила на опорах:

 

.

 

Растягивающая сила

 

.

 

Проверка прочности полосы настила шириной

 

 

Здесь площадь сечения настила

 

момент сопротивления настила

 

Расчет балки настила

Балка рассчитывается как свободно опертая, загруженная равномерно распределенной нагрузкой. Пролет равен шагу главных балок

Погонная - нагрузка собирается с полосы шириной, равной пролету настила :

а) Нормативная нагрузка

 

 

Здесь в первом приближении вес балки настила принят равным 2% от нагрузки;

б) Расчетная нагрузка

 

 

Изгибающий момент от расчетной нагрузки

 

 

Требуемый момент сопротивления

 

.

 

Коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций

в первом приближении.

Требуемый момент инерции по предельному прогибу (при пролете  по табл. 1 Приложения находим n₀ = 200):

 

Принимаем двутавр № 35Б1 ГОСТ 26020-83 (

 масса ).

Уточняем коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций   в зависимости от отношения площадей сечения полки и стенки  площадь сечения стенки

 

 

площадь сечения полки

. По [ 1, табл.66 ] интерполяцией определяем коэффициент  В нашем случае  [ 1, п.5.18 ].

Уточняется собственный вес балки и вся нагрузка:

а) нормативная

 

 

б) расчетная

 

 

Максимальный изгибающий момент

 

 

Проверка нормальных напряжений:

 

 

Условие прочности удовлетворяется с недонапряжением

 

 

Расчетная перерезывающая сила на опоре:

 

Проверка касательных напряжений на опоре [1, формула 41 ]

 

 

где

 

 

Условие прочности выполняется с большим запасом.

  Примечание: Проверку напряжений  в прокатных балках при отсутствии ослаблений опорных сечений, как правило, не производят, так как условие прочности удовлетворяется из-за достаточной толщины стенки.

Проверка прогиба балки:

 

 

 

Проверка удовлетворяется.

Вариант 2. Балочная клетка усложненного типа

Расчет настила

Таблица 2

 

Сбор нагрузки на 1м² настила

 

	Наименование нагрузки	Нормативная кН/м2	gf	Расчетная кН/м2
1	Временна	18	1.2	21.600
2	Собственный вес настила	0.462	1.05	0.485
	Итого

 

Средний коэффициент

 

В нашем примере наибольший пролет настила по формуле (1) в зависимости от

 

 

Принимаем пролет настила  (в интервале 0.5...1.8 м). Пролет укладывается целое число раз по длине вспомогательной балки: 6м/1м =6. Находим по табл. 1. приложения  Вычисляем наибольший пролет.

 

Так как  расчет продолжаем.

 

Проверка прогиба настила

Балочный прогиб

 

 

;

 

коэффициент

 

В расчетных зависимостях:

 

 

 

Прогиб настила

;

 

Так как

 

проверка жесткости настила выполняется.

 

Проверка прочности настила

Изгибающий момент

 

 

Растягивающее усилие

 

 

Момент сопротивления настила

 

 

Проверка нормальных напряжений

 

Условие прочности выполняется.

 

Расчет балки настила

 

Погонная нагрузка на балку настила:

а) нормативная от временной нагрузки, веса настила и балки настила:

 

 

б) расчетная

 

Изгибающий момент от расчетной нагрузки

 

 

Требуемый момент сопротивления при  в первом приближении

 

 

Требуемый по предельному прогибу момент инерции

 

Здесь для пролета  при определении предельного прогиба  выполняем интерполяцию по табл.1 Приложения: Зная требуемые моменты сопротивления и инерции, по сортаменту подбираем двутавр № 16 ГОСТ 26020-83 (

масса ).

Уточняем коэффициент  по [1, табл.66 ] при отношении площадей полки и стенки

где

 

 

Уточняется нагрузка:

а) Нормативная

 

б) Расчетная

 

Максимальный изгибающий момент

 

Проверка нормальных напряжений:

 

Условие прочности выполняется с недонапряжением 12,7%.

Перерезывающая сила на опоре

 

 

Проверка касательных напряжений:

 

где

 Проверка проходит.

 

Проверка прогиба

 

Проверка удовлетворяется.

 

Проверка прочности

 

Недонапряжение 4.62 %.

Проверка касательных напряжений  с учетом ослабления сечения на опоре выполняется при расчете стыка с главной балкой.

Проверка прогиба балки

 

Проверка проходит.

Правила выбора высоты балки

Если , следует принять ;

Если , следует принять ;

Если , следует принять .

В примере расчета полученные высоты главной балки располагаются в следующем соотношении:

 

 

Пользуясь правилом, выбираем высоту балки:

Высота главной балки, помимо расчетов, должна соответствовать наибольшей строительной высоте перекрытия по заданию:

где  - толщина настила. Наибольшая строительная высота перекрытия определяется разностью отметок верха настила и габарита помещения под перекрытием:  

Так как  оставляем выбранную высоту балки

Если выбранная по расчету высота балки не соответствует строительной высоте перекрытия, высота балки назначается не более

Далее высоту стенки  назначают близкой к высоте балки , в соответствии с шириной листа сортамента универсальной или толстолистовой стали.

Так как наибольшая ширина листа универсальной стали равна 1050 мм, принимаем толстолистовую сталь шириной 1500 мм. С учетом обрезки кромок с двух сторон по 5 мм:

По ранее принятому коэффициенту  определяем толщину стенки:  Принимаем

Толщину полок назначаем равной  тогда полная высота балки оказывается равной

 

Вычисляем момент инерции стенки

 

 

Требуемый момент инерции полок

 

 

Здесь наибольший требуемый момент инерции балки  определяется по двум значениям из условий прочности и жесткости:

из условия прочности

из условия жесткости

Требуемая площадь сечения полки

Толщина полки из условия обеспечения ее местной устойчивости:

 

 

В расчете было принято

Ширину полки рекомендуется назначать равной .

Вычисляем  Принимаем

 что соответствует ширине листа универсальной стали по сортаменту. Подобранное сечение балки показано на рис. 10.

Уточняем собственный вес балки по принятым размерам. Площадь поперечного сечения балки

 

Вес погонного метра балки

 

здесь – удельный вес стали;  – конструктивный коэффициент, учитывающий вес ребер жесткости и сварных швов. Вес главной балки на участке между вспомогательными балками

 

Рис.10. Размеры сечения

      главной балки

 

Уточняются нагрузки на балку, полученные в табл.5:

Нормативная

 

 

Расчетная

 

 

Уточняются усилия:

Изгибающие моменты от нормативных и расчетных нагрузок:

 

 

 

Перерезывающая сила на опоре (для пяти грузов в пролете):

 

 

Геометрические характеристики сечения балки:

Момент инерции

 

           

 

Момент сопротивления

 

 

В зависимости от соотношения площадей полки и стенки  уточняется коэффициент  ,учитывающий развитие пластических деформаций. В соответствии с [1, п.5.18]  а при наличии зоны чистого изгиба (случай четного числа грузов на балке),  Коэффициент  определяется интерполяцией по [1, табл.66].

 

В нашем примере

 

Интерполируя по таблице 66, находим коэффициент

 

И главной балок

 

Cуммарная высота элементов перекрытия: настила, балки настила, вспомогательной и главной балок

 

 

Ранее была найдена наибольшая строительная высота перекрытия

Так как  поэтажное сопряжение невозможно. Принимаем сопряжение вспомогательной и главной балок в пониженном уровне (рис.12).

 

Изменение сечения балки

С целью экономии металла уменьшаем сечение приопорного участка балки за счет уменьшения ширины поясов на участке балки от опоры до сечения, расположенного на расстоянии, равном 1/6 пролета балки:16.5:6 = = 2.75м (рис.13).

Ширина пояса балки   должна соответствовать ширине листа универсальной стали по сортаменту и быть не менее:

 

Здесь  – ширина полки балки в пролете,  – высота главной балки.

1/6L=2750

1/6L=2750

1/6L=2750

1/6L=2750

1/6L=2750

L=16500

Рис.13 Изменение сечения балки и эпюра материалов.

а) – изменение сечения балки; б) – эпюра материалов.

В нашем примере

По сортаменту принимаем

Геометрические характеристики сечения балки на приопорных участках:

площадь сечения

 

 

момент инерции

 

момент сопротивления

 

;

статический момент полки относительно оси x – x

 

 

статический момент полусечения относительно оси x – x

 

 

Расчетные усилия в месте изменения сечения:

Изгибающий момент

 

 

Перерезывающая сила

 

 

Проверка напряжений:

а) в месте изменения сечения

максимальные нормальные напряжения

 

 

Нормальные напряжения в стенке под полкой (сечение а – а, рис. 14)

 

 

 

 

Рис.14 Нормальные и касательные напряжения

в стенке под полкой

Касательные напряжения в стенке под полкой

 

Приведенные напряжения в стенке под полкой

 

 

б) Напряжения у опоры

 

Касательные напряжения на уровне нейтральной оси

 

Расчет поясных сварных швов

Полки составных сварных балок соединяют со стенкой на заводах автоматической сваркой. Сдвигающая сила на единицу длины балки (рис.15):