Курсовая работа: Проектирование технологической площадки промышленного здания

Санкт–Петербургский Государственный

Политехнический Университет

Кафедра Водохозяйственного и Ландшафтного строительства.

Курсовая работа

Дисциплина: «Металлические конструкции»

Тема: «Проектирование технологической площадки промышленного здания»

Выполнил студент Котляр С.П. группы 4014/2 подпись______

Руководитель Галямичев А.В. подпись ______

Дата

Санкт-Петербург

2010 г

Задание.

Настоящий проект рабочей площадки разработан в соответствии с заданием на проектирование и действующими СНиП.

Исходные данные для проектирования следующие:

- нормативная полезная нагрузка на рабочий настил – 1717 кгс/м² ;

- размеры площадки в плане в осях – 60х20 м*м;

- отметка рабочего настила – 16 м;

- материал – С255;

- характер опирания главной балки на колонну – верхнее с торцевым расположением опорного ребра;

- класс сооружения по степени ответственности – 1.

Площадка предназначена для размещения, обслуживания и ремонта производственного оборудования. Площадки такого типа представляют собой самостоятельные сооружения, встроенные в здание.

1. Компоновка балочной клетки.

Основными несущими элементами площадки являются фундаменты, колонны, главные балки, балки настила, настил. Настил устраивается по верхнему поясу балок настила, опирающихся на главные балки, которые в свою очередь опираются на колонны. Колонны через фундаменты передают нагрузку на грунт.

Балочная клетка (БК) – это система пересекающихся несущих балок, предназначенных для опирания рабочего настила.

Основные принципы компоновки балочной клетки:

1. Главные балки (ГБ) по направлению ориентируются вдоль большей стороны площадки. Для стальных конструкций длина главной балки l выбирается в пределах 9-24 м. В нашем курсовом проекте сужаем этот интервал до 12-24 м, еще и исключая крайние значения. Пролет главной балки должен быть таким, чтобы главная балка уложилась в длину площадки целое количество раз.

2. Балки настила (БН). Для стальных конструкций длина балок настила l ₁ выбирается в пределах 5-9 м. В проекте принимаем: 3,5 м < l ₁ < 6,5 м.. При компоновке балки настила должны укладываться вдоль короткой стороны целое число раз.

3. Пролет настила (Н). Значение пролета настила должно лежать в диапазоне 0,6 м < l _н < 1,2 м. Пролет настила должен укладываться в длине главной балки целое количество раз.

Исходя из вышеперечисленного, принимаем такой вариант компоновки балочной клетки (рис. 1):

Рис. 1.1. Вариант компоновки балочной клетки (пролет балок настила 6 м)

2. Расчет стального настила

Несущий настил состоит из стального листа, приваренного к балкам настила по всей длине. Сварка полуавтоматическая. Лист может быть гладким или рифленым. Толщина стали от 6 до 16 мм.

Исходные данные:

l (пролет главной балки) = 1500 см;

l ₁ (пролет балки настила) = 500 см;

p ^н (нормативная полезная нагрузка на рабочий настил) = 1717 кгс/м²

Так как настил приваривается к балке с двух сторон, то любую балку рассматривать как неподвижную опору. Следовательно, возникает осевая растягивающая сила. Чем тоньше настил, тем больше на него влияет осевая растягивающая сила, тем ближе расчетная схема настила к мембране.

2.1. Переводим полезную нормативную нагрузку на рабочий настил в кг/см² :

p ^н = 1717 кгс/м² = 0,1717 кгс/см²

2.2. По таблице принимаем δ ^н = 0,9 см

2.3 Находим нормативную нагрузку только от собственного веса настила:

V = 1*^. 1*0,9 = 0,9 см³

ρ = 7,85 ^. 10^-3 кг/ см³

g _н ^н = ρ ^. V = 7,85 ^. 10^{-3 .} 0,9 = 0,007065 кг/см²

2.4 Определяем полную нормативную нагрузку на полосу настила шириной 1 см:

q _н = p _н + g _н ^н = 0,1717 + 0,007065 = 0,178765 кг/см²

2.5 Вычисляем значение К

2.6 Определяем предельную длину настила

2.7 Определяем длину настила l н по таблице в зависимости от длины главной балки:

l _н =100 см

2.8 Определяем категорию настила.

настил средней толщины

2.9 Проверка по графикам сходится

2.10 Определение величины осевой растягивающей силы, действующей на 1 см ширины пластины:

2.11 Определение требуемого катета сварного шва.

R _wf =1850 кг/см

β _f = 0,7

Принимаем минимально разрешенный катет по условиям производства работ:

3. Подбор сечения балки настила

Балка настила рассчитывается, как однопролетная шарнирная балка. Расчетная схема представлена на рис. 3.1.

3.1 Определение линейной нормативной нагрузки на балку настила.

g _н ^н – собственный вес 1 см² настила;

q _вн ^н – приблизительный собственный вес 1 см балки настила.

3.2 Определение линейной расчетной нагрузки на балку настила.

3.3 Находим максимальный изгибающий момент балки настила:

3.4 Определение требуемого момента сопротивления балки настила:

Из сортамента ГОСТ 8239-89 выбираем двутавр №24

3.5 Определение линейной нормативной и линейной расчетной нагрузок на БН:

Определение линейной расчетной нагрузки на БН

3.6 Рассчитываем прочность:

Условие прочности согласно допустимому диапазону коэффициента К выполняется

3.7 Проверка балки настила выбранного сечения по жесткости:

Условие жесткости выполняется.

4. Расчет главной балки перекрытия

Главная балка рассчитывается, как однопролетная шарнирная балка. Нагрузочная и расчетные схемы представлены на рисунке.

4.1. Определение нормативной и расчетной линейных или погонных нагрузкок на главную балку

4.1.1. Полезная линейная нормативная погонная нагрузка:

P ^н = p _н ^. l ₁ , где p _н – нормативная полезная нагрузка на рабочий настил [кг/м² ]

P ^н = 1717 кг/м^{2 .} 5,0 м= 85,85 кг/м

4.1.2. Линейная нормативная нагрузка от собственного веса конструкций (вес настила + вес балок настила + приблизительный вес главной балки):

- нагрузка от собственного веса настил,

- нагрузка от собственного веса балки настила,

- величина, учитывающая собственный вес главной балки.

4.1.3. Полная нормативная погонная нагрузка на ГБ:

- линейная нормативная погонная нагрузка,

- линейная нормативная нагрузка от собственного веса конструкций.

4.1.4. Расчетная полная погонная нагрузка на ГБ:

4.2. Определение требуемого момента сопротивления Wx треб. ГБ:

Главная балка рассчитывается, как однопролетная шарнирная балка. Расчетная схема представлена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Расчетная схема главной балки

4.3. Подбор сечения ГБ.

Основные обозначения поперечного сечения (рис. 4.2)

4.3.1 Определение наименьшей высоты сечения балки h_min :

4.3.2 Определение оптимальной и рекомендованной высоты сечения балки.

По сортаменту листовой стали ГОСТ 19903-74 назначаем :

=

4.3.3 Определение толщины стенки ГБ по трем условиям:

1) Для балки с высотой h =1-2м определение по зависимости из опыта проектирования:

2) По условию среза стенки на опоре:

= 1350 кг / см² для Стали 255

3) Для обеспечения местной устойчивости стенка не должна быть слишком тонкой т.к. она может потерять местную устойчивость:

По сортаменту листовой стали ГОСТ 19903-74 назначаем :

Принимаем толщину стенки:

4.3.4. Определение размеров пояса балки:

- требуемая площадь полки

по условию прочности.

Принимаем

Определяем толщину полки по двум условиям:

1) по условию прочности

- требуемая площадь полки по условию прочности

-ширина полки

2) по условию местной устойчивости

- ширина полки

- расчетное сопротивление

По сортаменту ГОСТ 82-70 принимаем толщину полки: 32 мм << 40 мм. Условие выполнено.

Проверка А _n = * b_n = 3,2 *25 = 80(см² ) >> А _n ^треб = 79,286(см² ).

4.4. Определение статических характеристик сечения ГБ:

Рис. 4.3. Габариты сечения главной балки

)

2)

3)

4) l_x = l_{x (ст)} + l_{x ( n )} = σ_ст * h_cn ³ /12 + 2*( b_n * σ _n ³ /12 + ( b_n * σ _n )*( h _ст + σ _n )/2) = 1,1*(125)³ /12 + 2*(68,266 + 328704,8) = 836582,592 (см⁴ )

5)

4.5. Проверка принятого сечения по I и II группам предельных состояний

4.5.1. По несущей способности:

σ = М_max /W_x < R_ц *

σ = 30929062,5/12733,37 = 2420 (кг/см² ), k = 2420/2421 = 0,99

Условие прочности выполняется.

4.5.2. По жесткости

1,64 см < 3,57 см

Условие жесткости выполняется.

4.6 Изменение сечения ГБ по длине:

Цель изменения сечения ГБ по длине – получить некоторую экономию металла. В однопролетной шарнирно-опертых балках с равномерно-распределенной нагрузкой по всей длине оптимальным является изменение сечения на 1/6 пролета l от пролета.

4.6.1 Момент и поперечная сила на расстоянии 1/6 l от опор:

М_изм = 0,56 * М _max = 0,56 * 30929062,5 кг*м = 17320275 кг*м;

Q _изм = 0,66 * Q_max = 0,66 * 82477,5 кг = 54435,15 кг.

4.6.2. Требуемый момент сопротивления измененного сечения:

4.6.3. Требуемый момент инерции измененного сечения:

4.6.4. Новое значение ширины полки:

1. Из условия прочности:

2. Из условия общей устойчивости в зоне изменения сечения:

≥ h /10 = 131,4/10 = 13,14 см.

3. Из условия удобства сопряжения широких и узких полос полок:

≥ b _п /2 = 25/2 = 12,5 см.

4. Из условия удобства размещения опорных ребер жесткости:

≥ 18-20 см.

С учетом всех вышеперечисленных условий принимаем ширину полки равной 18 см.

Рис. 4.6. Габариты измененного сечения главной балки

4.7 Проверка прочности измененного сечения по IV теории ГБ:

В месте изменения сечения действуют как нормальные, так и касательные напряжения, причем наиболее неблагоприятным будет их совместное действие. Проверка проводится по приведенным напряжениям для точки К (см. рис. 4.7):

Рис.4.7. Напряжения в точке изменения сечения

Условие прочности выполняется

4.8. Проверка общей устойчивости главной балки

Проверка общей устойчивости производится по формуле:

Условие общей устойчивости выполняется.

4.9. Размещение ребер жесткости для обеспечения местной устойчивости

λ _w = h _ст * ( R_y / E )^½ = 1113,64 * 0,033 = 3,75 – условная гибкость стенки;

λ _w = h _ст / δ _ст = 125/1,1 = 113,64 – обычная гибкость стенки;

λ _w = 3,75 > 3,2, отсюда следует, что а < 2 λ _w

а < 2*125 = 250 (см)

Для нашего курсового проекта выбираем а = l _Н = 100 (см).

b _р ^тр = h _ст / 30 + 40 мм = 125 / 30 + 40 = 81,66 мм.

Принимаем b _р = 90 мм < 94мм, т.е. ребро не выходит за пределы верхнего пояса.

δ _р ^тр = 2 * b _р * ( R_y / E )^½ = 0,033 * 2 * 90 = 5,9 мм;

Принимаем δ _р = 8 мм.

Рис. 4.7. Схема расположения ребер жесткости

4.10. Расчет поясных сварных швов , крепящих полку ГБ к стенке:

Поясные швы – непрерывные с постоянным по длине балки катетом шва k_f :

β_f – коэффициент, учитывающий вид сварки;

R_wf – расчетное сопротивление срезу, зависящее от электрода, марки стали (для стали С255 и электродов Э42А R_wf = 1850 кг/см² );

Принимаем катет шва по конструктивному минимуму: k_f = 4 мм, но слишком тонкий шов не проварит металл толстого элемента. Руководствуясь таблицей 38 СНиПа 5301-96 «Стальные конструкции», окончательно принимаем по толщине наиболее толстого из свариваемых элементов К _f = 9 мм.

4.11. Расчет монтажного стыка на высокопрочных болтах

Необходимость монтажного стыка обусловлена большой длиной главной балки (превосходящей допустимую из условия транспортировки).

Стык принят на высокопрочных болтах, что допускает отсутствие на месте монтажа сложного и дорогостоящего сварочного оборудования и оборудования для проверки качества швов, высоко квалифицированного персонала, а также отличается большей скоростью монтажа по сравнению со сварочным стыком.

Стык расположен на расстоянии ⋲1/4 пролета L (см. рис. 4.9) по середине между ребрами жесткости, в зоне действия моментов 75% от M_max .

Рис.4.9. Место расположения стыка

x = 3,5 м;

Условие: (0,8 M_max – 0,85 M_max ) не удовлетворяется, поэтому назначаем новое значение x = 4,5 м

Конструкция стыка на болтах представлена на рис. 4.9:

Используются высокопрочные болты марки 40х “Селект”. Болты работают только на растяжение. Принимаем диаметр болтов ∅22 мм (А_нт = 3,03 см² ). Диаметр отверстий под болты - ∅25 мм.

Стык рассчитывается в предположении, что полка воспринимает часть изгибающего момента и совсем не воспринимает поперечную силу. Стенка воспринимает оставшуюся часть изгибающего момента и всю поперечную силу:

I _ст = δ_ст * h _ст ³ / 12 = 1,1 * 125³ / 12 = 179*10³ см⁴ ;

М_ст = М_х * I _ст / I _х = 24743250,5 * 179*10³ / 1768532,4 = 2504870,496 кг*см

М_п = М_х - М_ст = 24743250,5 – 2504870,496 = 22238380 кг*см

Определение размеров накладки по стенке:

δ_н.ст = δ_ст – 2 мм = 11 – 2 = 9 мм.

Проверка прочности стыка. Определение внутренних усилий в накладках на стенку главной балки (см. рис. 4.10):

Рис. 4.10. Распределение внутренних усилий в накладках

по стенке под действием внешней нагрузки

где е – расстояние от болтов до центра болтового поля;

N – возникающие усилия.

N_Q = Q_x / n _б = 32991 / 24 = 1374,625 кг;

N_max = М_ст * e_max / Σ e_i ² = 2504870,496 * 55,187 / 4(3045,6 + 2043,04 + 1260,25 + 655,36 + 246,49 + 39, 06) = 4740, 74 кг.

Рис.4.11. Определение N_Σ

N_Σ = ( N_Q ² + N_max ² )^1/2 = (1889593,9 + 22474648,965)^1/2 = 4936,02 (кг)

где n _тр – количество плоскостей трения ( n _тр = 2);

Q_bh – несущая способность фрикционного соединения, стянутого одним болтом по одной плоскости трения.

Q_bh = R_bh * γ_b * А_н * μ / γ_h = 7700 * 1 * 3,03 * 0,58 / 1,12 = 10415,625 кг;

где R_bh – расчетное сопротивление болта растяжению ( R_bh = 0,7 * R_bun = 0,7 * 11*10⁷ = 7,7*10⁷ кг/м² );

γ_b – коэффициент, зависящий от количества болтов в соединении ( n _б > 10; γ_b = 1);

А_н – площадь нетто одного болта;

μ – коэффициент трения поверхности, зависящий от шероховатости (при дробеметной или дробеструйной металлизационной обработке цинком или алюминием μ = 0,58);

γ_h – коэффициент, зависящий от метода контроля затяжки болта ( γ_h = 1,12).

N_Σ = 5073 = 17.346,7 кг ≤ 10415,625*2*1 = 20831,25 кг.

Прочность стыка по стенке обеспечена.

Проектирование стыков по полкам. Определение внутренних усилий в накладках на стенку главной балки (см. рис. 4.12):

Размещение болтов по полке производится с выполнением следующих рекомендаций:

1. По длине балки шаг болтов принимается минимальным и составляет: 2,5* d ₀ ;

2. Расстояние от краев до любого элемента составляет: 1,3* d ₀ ;

3. Общее количество болтов n _{б пн} по поясной накладке ( по одну сторону от стыка) принимается по расчету;

4. Количество рядов болтов поперек полки принимается 2 или 4 в зависимости от ширины полки;

Рис.4.12. Распределение внутренних усилий в накладках

по полкам под действием внешней нагрузки

В первом приближении полагаем, что δ_н.п = δ_п , тогда усилие, воспринимаемое поясной накладкой можно найти из простой расчетной схемы, разложив M _н на пару сил N _н , где

h _н = h + δ_п = 131,4 + 3,2 = 134,6 (см), где

h – полная высота балки,

h _н - плечо внутренней пары сил, тогда

N _н = M _п / h _н = 22238380 / 134,6 = 165218,27 кг*см;

Определение размеров накладки по полке:

А_н = N _н / ( R_y * γ_c ) = 113.588,7 / (25*10⁶ * 1) = 45,4*10^{-4 м2} ;

δ ^треб _н.п = А_н / b _п * R _ц = 165218,27 / 25*2421 = 27,3 мм.

Принимаем по сортаменту ближайшее большее значение δ_н.п = 28 мм.

Определение требуемого количества болтов:

п_б.п = N _н / (п_тр * Q_bh * γ_c ) = 165218,27 / (1 * 10415,625 * 1) = 16;

Принимаем количество болтов с одной стороны от стыка равным п_б.п = 16.

4.12. Проектирование узла опирания балки настила на главную балку

Схема опирания – приложение 1 «Узел опирания балки настила на главную балку».

Принимаем диаметр болтов ⌀22 мм. Диаметр отверстий под болты ⌀25 мм. Класс точности болтов – В, класс прочности – 5.8 ( R _ср = 2000 кг/см² , R _см = 4350 кг/см² ).

Несущая способность одного болта определяется меньшим значением из следующих 2 формул:

N _ср = π * d _б ² / 4 * R _ср = 3,14 * 0,022² / 4 * 2*10⁷ = 7600 кг;

N _см = d _б * δ _min * R _см = 6699 кг.

δ _min = d _БН = 7 мм

Требуемое количество болтов определяется по формуле:

п_б = N / ( N_min * γ_b * γ_c ) = 5017,2 *1,2/ 1 * 6699 * 1= 0,9;

где N – опорная реакция балки настила;

γ_b – коэффициент условия работы болтового соединения ( γ_b = 0,9).

Принимаем количество болтов равным п_б = 2.

Проверка выбранного решения на возможное защемление болта:

Условие незащемляемости болта:

Δ < 2 мм, где Δ – фактическое линейное перемещение крайнего болта, определяемое по формуле:

Δ = 1,6 * (f_max /l₁ ) * (n _б – 1) * a = 1,6*(0,71477/500)*(2-1)*15 = 0,034 мм < 2 мм

Условие незащемляемости выполняется.

4.13. Конструирование и расчет опорного узла Главной Балки:

Опирание главной балки на колонну – верхнее с торцевым расположением опорного ребра, смотреть приложение 2 «Узел опирания главной балки на колонну».

Такой вариант более предпочтительнее, так как дает более меньший эксцентриситет при неравномерной нагрузки на балки, опирающиеся на колонну:

Определение габаритов условного таврового сечения:

b _ор = b _п ^изм = 180 мм;

S = 0,65 * δ_ст * ( E / R_y )^½ = 0,22 м;

δ_ор = N / ( b _ор * R _см ) = 82477,5/ (2 * 9 * 3550) = 14 мм.

Принимаем δ_ор = 14 мм.

Проверка устойчивости условного таврового элемента:

l _р = μ * h _ст = 1 * 1,4 = 1,4 м;

А ^t = 2 * ( b _ор * δ_ор + δ_ст * ( S + δ_ор /2)) = 2 * (9 * 1,4 + 1,1 * (22 + 1,4/2)) * 0,226 = 75,14см² ;

I^t = (b _ор ³ * δ_ор + S * δ_ст ³ ) / 12 = 817,7986 см ⁴ ;

r = (I^t / А ^t )^½ = 3,299 см ;

λ = l _р / r = 1,4 / 0,042 = 33,2;

ϕ = 0,9 ( табл . 72 СНиП );

σ = N / ( ϕ * А ) ≤ R_y * γ_c ;

σ = 82477,5 / (0,9 * 75,14) = 1219,61 кг/см² ≤ 2421 кг/см² .

Условие прочности выполняется.

Проверка прочности сварного шва:

l_w = h _ст – 2 Δ – 10мм = 1400 – 2*60 – 10 = 112 см;

где l_w – длина сварного шва;

Δ – расстояние от полок главной балки до сварного шва.

k_f ^тр = 1,2 * δ _min = 1,2 * 11 = 13,2 мм = 1,32 см

Принимаем катет сварного шва равным k_f = 14 мм.

σ = N / (2 * β _f * k_f * l_w ) ≤ R_wf * γ_c ;

σ = 824755,5 / (2 * 112 * 1,5 * 0,7) = 175,34 кг/см² ≤ 1850 кг/см² .

Условие прочности выполняется.