Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

«Дальневосточный государственный
университет путей сообщения»

Кафедра «Строительные конструкции»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

СТАЛЬНОЙ БАЛОЧНОЙ КЛЕТКИ

2-е издание, дополненное

Рекомендовано

Методическим советом ДВГУПС

в качестве учебного пособия

Хабаровск

Издательство ДВГУПС

2010

УДК 624.014(083.9)(075.8)

ББК Н 543+Н72

Т 180

Рецензенты:

Кафедра «Строительные конструкции»

Тихоокеанского государственного университета

(заведующий кафедрой кандидат технических наук доцент

)

Главный инженер Хабаровского проектно-изыскательского

института «Дальжелдорпроект» – филиала

Танаев, В. А.

Учебное пособие соответствует ГОС ВПО направления подготовки дипломированных специалистов 270100 «Строительство» специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство» по дисциплине «Металлические конструкции».

На примере расчёта изложены основы проектирования конструкций стальной балочной клетки (вариантное проектирование, расчет настила, прокатной и составной балок, колонны с базой и оголовком) с контролем полученных результатов на ПЭВМ.

Предназначено студентам 4-го и 5-го курса всех форм обучения для курсового и дипломного проектирования.

УДК 624.014(083.9)(075.8)

ББК Н 543+Н72

© ДВГУПС, 2000, 2010

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 для выполнения курсового и дипломного проектов и включает:

·  вариантное проектирование настила из прокатных балок;

·  проектирование составной сварной главной балки;

·  проектирование колонн сплошного и сквозного сечения с базой и оголовком.

Каждый раздел проектирования контролируется на ЭВМ программным комплексом «МК-1», разработанным на кафедре «Строительные конструкции» . Составлены два варианта программного комплекса. Первый – для работы в среде MS-DOS версии 3.3 и выше на компьютерах IBM-pc/xt и более современных (наличие арифметического сопроцессора обязательно) и второй (автор )
«МК-1 For Window’s» – для работы под управлением операционной системы Window’s 95 и более поздних версий 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 учебниках [3, 4]. При этом основными нормативными документами являются [1, 2]. Расчеты конструкций должны выполняться с соблюдением Международной системы единиц (СИ), в соответствии с нормами СН 528-80 «Перечень единиц физических величин, подлежащих применению в строительстве».

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

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, боковой вид балочной клетки со связями жесткости и спецификация 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 (ПЗ) является текстовым документом проекта. Содержание и оформление ПЗ должно отвечать требованиям Единой системы конструкторской документации, которые регламентируются [6].

1.  Конструкции стальной балочной клетки

Балочные перекрытия в зданиях различного назначения, а также покрытия рабочих площадок могут выполняться из стальных конструкций. Рабочие площадки служат для размещения производственного оборудования на определенной высоте в помещении цеха промздания. В конструкцию площадки входят колонны, балки, настил и связи (рис. 1). Система несущих балок стального покрытия называется балочной клеткой.

Рис. 1. Конструкция площадки: 1 – колонны; 2 ­– главные
балки; 3 – балки настила; 4 – настил; 5 – связи

В качестве покрытия балочной клетки (несущего настила) обычно применяются плоские стальные листы, которые в виде полос укладываются на балки настила и крепятся к ним при помощи электросварки.

Балочные клетки могут быть упрощенного, нормального или усложненного типа (рис. 2).

В упрощенном типе клетки расстояние между стенами или колоннами сравнительно невелико и ограничивается по экономическим соображениям, так как при частом расположении длинных балок (что обусловлено малой величиной пролета настила) возникает противоречие между получаемой несущей способностью и требуемой жесткостью балок.

Рис. 2. Типы балочных клеток: а – упрощенный; б – нормальный; в – усложненный; 1 – балки настила; 2 – стены; 3 – главные балки; 4 – колонны; 5 – вспомогательные балки

В нормальном типе клетки расстояние между колоннами может быть больше, чем в упрощенном типе, так как шаг главных балок не зависит от пролета настила.

В усложненном типе клетки имеются еще и вспомогательные балки, на которые опираются балки настила. При этом возрастает трудоемкость монтажа конструкций. Однако расход стали на площадку часто оказывается меньше, чем в предыдущем типе.

Тип балочной клетки выбирается на основании сравнения технико-экономических показателей при вариантном проектировании.

Сопряжение балок по высоте может быть поэтажным или в одном уровне (для нормального типа клетки), а также пониженным (для усложненного типа клетки, рис. 3).

Рис. 3. Сопряжения балок: а – поэтажное; б – в одном уровне; в – пони­женное; Нс – строительная высота перекрытия; 1 – главная балка;
2 – балка настила; 3 – настил; 4 – вспомогательная балка

Поэтажное сопряжение является наиболее простым при монтаже конструкций, но соответствует наибольшей строительной высоте перекрытия. Сопряжения в одном уровне и пониженное позволяют сохранить оптимальную высоту главной балки при заданной строительной высоте перекрытия, но усложняют конструкцию примыкания балок.

Известно, что при нагрузках, не превышающих 50 кН/м2, и предельном прогибе не более 1/150 прочность стального настила будет всегда обеспечена, и его рассчитывают только на прогиб [3, 4, 7].

Однако в последнее время в целях экономии металла величина предельного прогиба была увеличена до 1/120 [2], поэтому в учебном пособии предусматриваются обе проверки: как из условия прогиба, так и из условия прочности.

При компоновке балочной клетки пролёт настила увязывается с пролётом главной (или вспомогательной) балки, на которую опирается балка настила и делит её на равные части, равные пролёту настила.

2. Пример расчета стальной балочной клетки

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

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/м2;

– толщина настила площадки нормального типа 10 мм;

– толщина настила 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 (ОВН) 8,4 м;

– тип сечения колонны сплошная (сквозная);

– сталь настила и прокатных балок С235;

– сталь главной балки и колонны С255.

Цилиндрический модуль упругости стали определяется по формуле

МПа.

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

. (1)

В данном 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 м. В этом случае пролет укладывается одиннадцать раз по длине главной балки: По табл. 1П приложения интерполяцией находим предельный прогиб для пролета м

Далее, по формуле (2) вычисляется наибольший пролет:

м.

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

Так как м, 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-й вариант):

1 – колонна; 2 – главные балки; 3 – балки настила

Проверка прогиба настила. Вначале вычисляется балочный прогиб, т. е. прогиб от поперечной нагрузки в середине полосы шириной м, имеющей цилиндрическую жесткость , без учета растягивающей силы Н:

м.

Прогиб настила с учетом растягивающей силы Н определяется по формуле Коэффициент находится из решения кубического уравнения

(3)

Для решения примем , тогда ,

где

В данном случае ;

;

;

прогиб настила ;

относительный прогиб ;

предельный прогиб

Так как проверка прогиба удовлетворяется.

Проверка прочности настила. Изгибающий момент с учетом приварки настила на опорах составляет

кНм.

Растягивающая сила

кН.

Проверка прочности полосы настила шириной м:

Здесь площадь сечения настила м2;

момент сопротивления настила м3.

Расчет сварного шва крепления настила к балке

1. Расчет по металлу шва.

Коэффициент глубины провара шва [1, табл. 34].

Коэффициент условия работы шва [1, п. 11.2*].

В соответствии с [1, табл. 55] принимаем электроды типа Э42. Расчетное сопротивление металла шва при ручной сварке электродами Э42 МПа [1, табл. 56].

МПа.

2. Расчет по металлу границы сплавления.

Коэффициент глубины провара шва [1, табл. 34].

Коэффициент условия работы шва [1, п. 11.2*].

Расчетное сопротивление по металлу границы сплавления

МПа [1, табл. 3].

Здесь МПа – нормативное сопротивление проката, тогда

МПа.

Сравнивая полученные величины при расчете по металлу шва и по металлу границы сплавления, находим минимальную из них:

МПа.

Требуемый катет шва

м.

Принимаем мм [1, табл. 38].

Расчет балки настила

Балка рассчитывается как свободно опертая, загруженная равномерно распределенной нагрузкой (табл. 1). Пролет равен шагу главных балок м.

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

а) нормативная нагрузка

Здесь в первом приближении вес балки настила принят равным 2 % от нормативной нагрузки на настил (табл. 1): кН/м;

б) расчетная нагрузка

кН/м.

Изгибающий момент от расчетной нагрузки

кН/м.

Требуемый момент сопротивления

см3.

Коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций в первом приближении.

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

см4.

Принимаем двутавр № 35Б1 ГОСТ (см4,

масса кг/м).

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

см2;

площадь сечения полки см2;

. По [1, табл. 66] интерполяцией определяем коэффициент В данном примере [1, п. 5.18].

Уточняем собственный вес балки и всю нагрузку:

а) нормативная

кН/м;

б) расчетная

кН/м.

Максимальный изгибающий момент

кН/м.

Проверка нормальных напряжений:

МПа.

Условие прочности удовлетворяется с недонапряжением:

Расчетная перерезывающая сила на опоре:

кН.

Проверка касательных напряжений на опоре [1, формула (41)]

МПа,

где см;

МПа.

Условие прочности выполняется с большим запасом.

Примечание. Проверку напряжений t 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 выполняется.

Проверка общей устойчивости балки

В соответствии с [1 , п. 5.16(а)] при наличии стального настила, непрерывно опирающегося на сжатый пояс балки и надежно с ним связанного электросваркой, проверять общую устойчивость балки не требуется.

Высота покрытия по главным балкам и расход стали по первому варианту. Высота балки настила, плюс толщина настила:

мм.

Расход стали на настил и балки настила:

кг/м2.

2.1.2. Вариант 2. Балочная клетка усложненного типа

Расчет настила

Сбор нагрузки на 1 м2 настила приведен в табл. 2.

Таблица 2

Сбор нагрузки на 1 м2 настила

Средний коэффициент надёжности по нагрузке

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8