Робочий майданчик виробничих будівель
СОДЕРЖАНИЕ: Оцінка металоємкості різник типів балочної клітки для вибору раціональної схеми. Визначення нормативних і розрахункових навантажень на головну балку, товщини її опорного ребра, монтажної висоти перекриття. Розрахунок центрово-стиснених колон майданчика.Міністерство освіти і науки України
Запорізька державна інженерна академія
Кафедра МБГ
КУРСОВА РОБОТА
з дисципліни Металеві конструкції
На тему: Робочий майданчик виробничих будівель
Запоріжжя
2010
1. ВИБІР РАЦІОНАЛЬНОЇ СХЕМИ БАЛОЧНОЇ КЛІТКИ
Згідно завдання до курсової роботи та рекомендацій п.2 [1] приймаємо дві схеми балочної клітки: загального та ускладненого типу.
Рисунок 1 – Компоновочна схема балочної клітки:
а – нормального типу;б – ускладненого типу.
1.1 Розрахунок настилу
Розрахунок товщини настилу проводимо згідно рівняння 1 [1]:
, (1.1)
де 
- відношення прольоту настилу до його граничного прогину;
- нормативне навантаження згідно завдання, 
;
- модуль деформації сталі;
- коефіцієнт Пуассона для сталі.
Розрахунок горизонтальної опорної реакції обчислюємо за формулою 2 [1]:
, (1.2)
де 
- відносний прогин настилу;
- коефіцієнт надійності за наантаженням.
Із умов міцності [1] знаходимо кати кутових швів кріплення настилу:
, (1.3)
, (1.4)
де 
- коефіцієнти, що примається за табл.7д [1]; 
- розрахунковий опір металу шва (за табл.6д [1]), 
; 
- розрахунковий опір шва за межею сплавлення (за табл.5д [1]), ; 
- коефіцієнт надійності за призначенням (за табл.1д [1]); 
- коефіцієнт умови роботи конструкцій.
Катет шва приймаємо за більшим із знайдених значень, але не меньше мінимального, яке вказане у табл.8 додатку до [1].
1.1.1 Розрахунок настилу балочної клітки нормального типу
За формулою 1.1 розраховуємо товщину настилу балочної клітки:
Згідно сортаменту листової сталі приймаємо лист товщиною 
.
За формулою 1.2 розраховуємо горизонтальну опорну реакцію в настилі:
За формулами 1.3 та 1.4 знаходимо катет кутвих швів кріплення настилу щодо умов ручної зварки електродами Е46:
Згідно табл.8 додатку до [1] приймаємо катет шва 
.
1.1.2 Розрахунок настилу балочної клітки ускладненого типу
За формулою 1.1 розраховуємо товщину настилу балочної клітки:
Згідно сортаменту листової сталі приймаємо лист товщиною 
.
За формулою 1.2 розраховуємо горизонтальну опорну реакцію в настилі:
За формулами 1.3 та 1.4 знаходимо катет кутвих швів кріплення настилу щодо умов ручної зварки електродами Е46:
Згідно табл.8 додатку до [1] приймаємо катет шва .
1.2 Розрахунок балок настилу
Визначаємо нормативні і розрахункові навантаження на балку за формулами:
; (1.5)
; (1.6)
; (1.7)
; (1.8)
де 
- нормативне навантаження від власної ваги настилу, 
;
- нормативне навантаження від власної ваги балок настилу, .
Нормативне навантаження від власної ваги балок настилу розраховуємо за формулою:
, (1.9)
де 
- лінійна густина балки настилу, 
;
- кількість балок настилу в частині балочної клітини за розмірами 
;
- крок допоміжних балок, 
;
- крок колон балочної, ;
- коефіцієнти надійності за навантаженням (
).
Визначаємо граничні значення згинального моменту та перерізуючої сили за формулами:
(1.10)
(1.11)
Визначаємо потрібний момент опору за формулою 8 [1]:
(1.12)
Перевірку міцності прийнятого перерізу виконуємо за фомулою 9 [1]:
, (1.13)
де 
- коефіцієнт роботи матеріалу.
Міцність за дотичними напруженнями визначаємо за формулою 11 [1]:
, (1.14)
де 
- моменти інерції обраного перерізу балки настилу;
- товщина стінки профілю, 
;
- розрахунковий опір сталі зрізу, .
Жорсткість балки настилу перевіряємо за формулою 12 [1]:
(1.15)
1.2.1 Розрахунок балок настилу балочної клітки нормального типу
За формулами 1.5 та 1.7 визначаємо нормативні і розрахункові навантаження на балку настилу:
За формулами 1.10 та 1.11 визначаємо граничні значення згинального моменту та перерізуючої сили:
За формулою 1.12 визначаємо потрібний момент опору балки настилу:
з сортаменту фасонного прокату приймаємо наступну за кроком двотаврову балку №20 з характеристиками: 
; 
; 
; 
.
За формулою 1.13 проводимо перевірку міцності прийнятого перерізу:
За формулою 1.14 проводимо перевірку міцності прийнятого перерізу:
За формулою 1.15 перевіряємо жорсткість балки настилу:
Усі умови виконуються, таким чином для даної схеми приймаємо балки настилу з двотаврового профілю 20.
1.2.2 Розрахунок балок настилу балочної клітки ускладненого типу
За формулами 1.5 та 1.7 визначаємо нормативні і розрахункові навантаження на балку настилу:
За формулами 1.10 та 1.11 визначаємо граничні значення згинального моменту та перерізуючої сили:
За формулою 1.12 визначаємо потрібний момент опору балки настилу:
З сортаменту фасонного прокату приймаємо двотаврову балку №14 з характеристиками: 
; 
; 
; 
.
За формулою 1.13 проводимо перевірку міцності прийнятого перерізу:
За формулою 1.14 проводимо перевірку міцності прийнятого перерізу:
За формулою 1.15 перевіряємо жорсткість балки настилу:
Усі умови виконуються, таким чином для даної схеми приймаємо балки настилу з двотаврового профілю 14.
За формулою 1.9 розраховуємо нормативне навантаження від балок настилу:
За формулами 1.6 та 1.8 визначаємо нормативні і розрахункові навантаження на допоміжну балку:
За формулами 1.10 та 1.11 визначаємо граничні значення згинального моменту та перерізуючої сили:
За формулою 1.12 визначаємо потрібний момент опору балки настилу:
З сортаментуфасонного прокату приймаємо двотаврову балку №30 з характеристиками: 
; 
; 
; 
.
За формулою 1.13 проводимо перевірку міцності прийнятого перерізу:
За формулою 1.14 проводимо перевірку міцності прийнятого перерізу:
За формулою 1.15 перевіряємо жорсткість балки настилу:
Усі умови виконуються, таким чином для даної схеми приймаємо допоміжні балки з двотаврового профілю 30.
1.3 Порівняння варіантів схем балочної клітки
Розрахунок металоємності балочних кліток нормального та ускладненого типу виконуємо за формулами 13,14 [1]:
; (1.16)
; (1.17)
де 
- вага 
настилу, 
;
- відповідно, вага 
балки настилу і допоміжної балки, 
;
- відповідно кількість балок настилу і допоміжних балок.
Таким чином металоємність балочної клітки нормального типу складає:
Таким чином металоємність балочної клітки ускладненого типу складає:
Отримані дані з металоємності варіантів балочної клітки заносимо до таблиці.
Таблиця 1.1 – Порівняння варіантів схем балочної клітки
| №вар. | Витрати сталі, |
Кількість | |||
| Всього | На |
Відсотки, % | Типів балок | Монтажних елементів | |
| 1 | 3018 | 78,96 | 1 | 6 | |
| 2 | 2445 | 63,97 | 2 | 6 | |
Таким чином варіант балочної клітини нормального типу є менш металоємним та трудомістким. Схема балочної клітки нормального типу буде використана у подальшому розрахунку головних балок перекриття та колон.
2 . РОЗРАХУНОК ГОЛОВНОЇ БАЛКИ
Визначаємо нормативні і розрахункові навантаження на головну балку:
За формулами 1.10 та 1.11 визначаємо граничні значення згинального моменту та перерізуючої сили:
За формулою 1.12 визначаємо потрібний момент опору балки настилу:
З сортаменту фасонного прокату приймаємо двотаврову балку №50Б2 з характеристиками: 
; 
; 
; 
.
За формулою 1.13 проводимо перевірку міцності прийнятого перерізу:
За формулою 1.14 проводимо перевірку міцності прийнятого перерізу:
За формулою 1.15 перевіряємо жорсткість балки настилу, але значення припустимого прогину приймаємо 
:
Перевіряємо загальну стійкість головної балки перекриття за формулою:
, (2.1)
де 
- крок балок настилу, ;
- ширина полки двотавра, ;
- товщина полки двотавра, ;
- вістова відстань між центрами полок двотавра.
Таким чином загальна стійкість головної балки перекриття складає:
Усі умови виконуються, таким чином приймаємо перетин головної балки з двотаврового профілю 50Б2.
2.1 Розрахунок опорного ребра балки
Для даної схеми приймаємо конструкцію опорного ребра, розміщеного на краю головної балки. Ширину опорного ребра 
приймаємо конструктивно рівною ширині полки двотавра 
.
Товщину опорного ребра розраховуємо за формулою 71 [1]:
, (2.2)
де 
- опорна реакція головної балки, 
;
- розрахунковий опір сталі за межею міцності, .
Таким чином за формулою 2.2 товщина опорного ребра складає:
Конструктивно приймаємо товщину опорного ребра
.
Перевіряємо місцеву стійкість опорного ребра балки за формулою 72 [1]:
, (2.3)
де 
- ширина консольної частини полки балки, .
Таким чином розрахункова місцева стійкість ребра балки складає:
Стійкість опорного ребра балки , як центрово стиснутого стержня перевіряємо за формулою 73 [1]:
, (2.4)
де 
- коефіцієнт повздовжнього вигину, що визначається в залежності від гнучкості 
;
- площа опорної ділянки балки, яка включає переріз опорного ребра та частину заввишки 
.
Площу опорної ділянки балки визначаємо за формулою 74 [1]:
, (2.5)
Гнучкість опорної частини балки визначаємо за формулою 76 [1]:
, (2.6)
де 
- радіус інерції, за формулою 77 [1]:
, (2.7)
де 
- момент інерції опорної ділянки відносно осі, 
за формулою 78 [1]:
(2.8)
Таким чином момент інерції опорної ділянки відносно осі стінки складає:
Таким чином радіус інерції перетину складає:
Таким чином гнучкість опорної частини балки складає:
За таблицею 21 додатку до [1] приймаємо коефіцієнт 
.
За формулою 2.4 перевіряємо умову стійкості опорного ребра балки , як центрово стиснутого стержня:
Із умов міцності кутових за формулою 81 [1] знаходимо необхідний катет вертикального кутового шва:
, (2.9)
де 
- розрахункова довжина швів, 
.
Згідно табл.8 додатку до [1] приймаємо катет шва 
.
2 .2 Розрахунок спряження балок настилу з головною балкою
Розраховуємо монтажну висоту перекриття за формулою:
, (2.10)
де 
- конструктивна висота перекриття за завданням, ;
- висота балок настилу, ;
- товщина настилу, .
Таким чином монтажна висота перекриття складає:
Так як монтажна висота перекриття менше висоти головної балки, приймаємо схему з’єднання в одному рівні головної балки і балок настилу.
За формулою 82 [1] перевіряємо стінку прокатної балки настилу на місцеве зминання:
(2.11)
де 
- опорна реакція балки настилу, 
;
- площа зминання стінки прокатної балки, 
.
Площу зминання стінки прокатної балки знаходимо за формулою 83 [1]: 
, (2.12) де 
- товщина стінки прокатної балки, ;
- знаходимо згідно геометричних параметрів двотаврового профілю.
Таким чином площа зминання стінки прокатної балки складає:
За формулою 2.11 перевіряємо умови зминання стінки прокатної балки настилу:
За формулою 84 [1] перевіряємо ребро жорсткості головної балки на торцеве зминання:
(2.13)
де 
- площа зминання торцевої поверхні ребра, 
.
Площу зминання торцевої поверхні ребра знаходимо за формулою 85 [1]:
, (2.14)
де 
- товщина ш ширина ребра жорсткості головної балки, 
.
Таким чином площа зминання торцевої поверхні ребра жорсткості складає:
За формулою 2.13 перевіряємо ребро жорсткості головної балки на торцеве зминання:
Визначаємо діаметр болта
(2.15)
(2.16)
Монтажні болти для кріплення балки настилу до головної балки приймаємо М16.
2 .3 Розрахунок монтажного стику головної балки
Вибираємо конструктивно розташування монтажного стику посередині головної балки, тоді 
; 
.
Згідно рекомендацій [1] приймаємо схему розташування болтів монтажного стику головної балки, спосіб обробки – металевими щітками, контроль затягування болтів – за згинальним моментом.
Рисунок 2 – Схема компоновки болтів монтажного стику
Момент інерції у найбільш віддалених від вісі болтах розраховуємо за формулою 88 [1]:
, (2.15)
де 
- момент інерції стінки балки, 
;
- момент інерції всього перерізу балки, .
Таким чином момент інерції у найбільш віддалених від вісі болтах складає: 
За формулою 89 [1] визначаємо зусилля в болтах, викликане моментом 
:
, (2.16)
де 
- відстань між крайніми рядами болтів за висотою, ;
- сума квадратів відстаней між симетричними рядами болтів, ; 
- кількість рядів болтів.
Таким чином максимальне зусилля в болтах складає:
Так як поперечна сила у перетині , сумарне зусилля 
.
За формулою 92 [1] визначаємо необхідну площу перерізу високоміцного болта:
, (2.17)
де 
- розрахунковий опір розтягу високоміцного болта;
- коефіцієнт умов з’єднання;
- кількість поверхонь тертя;
- коефіцієнт тертя та коефіцієнт надійності за табл.11д [1].
Таким чином необхідна площа перерізу високоміцного болта складає:
За табл.15д [1] вибираємо діаметр високоміцного болта М16 з 
. Товщину накладок приймаємо конструктивно рівною 
.
Зусилля в поясах балки розраховуємо за формулою 94 [1]:
, (2.18)
де 
- згинальний момент в полках балки, 
;
- висота балки, .
Таким чином зусилля в поясах головної балки складає:
За формулою 95 [1] розраховуємо несучу здатність одного високоміцного болта кріплення поличок:
(2.19)
Кількість болтів у з’єднанні визначаємо за формулою 96 [1]:
(2.20)
(приймаємо 8 болтів М16)
Необхідну площу накладок розраховуємо за формулою 97 [1]:
(2.21)
Необхідну товщину накладок розраховуємо за формулою 98 [1]:
(2.22)
(приймаємо товщину 
)
3. РОЗРАХУНОК ЦЕНТРОВО–СТИСНЕНИХ КОЛОН
Розрахункову висоту колони визначаємо за формулою 98 [1]:
, (3.1)
де 
- висотна позначка верха майданчика за завданням, ;
- величина заглиблення колони у підлогу.
Таким чином розрахункова висота колони складає:
Так як при наявності зв’язків між колонами в обох напрямках, вузол верхнього закріплення колони вважають шарнірним розрахункова висота колони 
. Згідно рекомендацій [1] приймаємо гнучкість колони 
, тоді коефіцієнт 
.
Потрібний радіус інерції перерізу гілки колони розраховуємо за формулою: 
Потрібну площу перерізу ланки колони визначаємо за формулою 102 [1]:
, (3.3)
Таким чином потрібна площа перерізу колони складає:
З сортаменту фасонного прокату приймаємо швелер №14 з характеристиками: 
; 
. Таким чином фактична гнучкість колони буде складати: 
Отримана гнучкість перевищує припустиме значення, тому з сортаменту фасонного прокату приймаємо швелер №18 з характеристиками: 
; 
. Таким чином фактична гнучкість колони буде складати: 
(
)
Перевірку міцності прийнятого перерізу виконуємо за формулою:
(3.4)
Розрахунок необхідної гнучкості колони проводимо із умови рівностійкості перерізу колони (
) за формулою 120 [1]:
, (3.5)
де 
- гнучкість окремої гілки колони.
Таким чином гнучкість колони складає:
Необхідний радіус інерції відносно вісі Y визначаємо за формулою 121 [1]:
Необхідну відстань між гілками колони знаходимо за формулою 123 [1]:
(приймаємо 
)
Мінімальна ширина наскрізної колони з умов [1] повинна складати:
Таким чином приймаємо ширину наскрізної колони 
.
За формулою 124[1] встановлюємо відстань між планками:
(3.6)
де - гнучкість окремої гілки;
- радіус інерції гілки відносно нейтральної вісі, .
За формулою 3.6 відстань між планками складає:
(приймаємо 
)
За формулою 126 [1] визначаємо власний момент інерції перерізу колони:
, (3.7)
де 
- відповідно, площа і власний момент інерції гілки відносно вісі Y.
Таким чином власний момент інерції перерізу колони складає:
Радіус інерції перерізу визначаємо за формулою 127 [1]:
За формулою 128 [1] визначаємо гнучкість колони відносно вісі Y:
(
)
За формулою 129 [1] визначаємо приведену гнучкість колони:
За формулою 130 [1] перевіряємо стійкість відносно вісі Y:
(3.8)
Перевіряємо стійкість відносно вісі за формулою 3.8:
За формулою 131 [1] знаходимо ширину планок:
(приймаємо 
)
Згідно умов формули 132 [1] та рекомендацій приймаємо товщину і ширину планок 
;
.
За формулою 133 [1] перевіряємо відношення жорсткості планки і гілки:
, (3.9)
де 
- момент інерції перерізу планки відносно власної вісі, ;
- відстань між осями планок, ;
- відстань між осями гілок, .
Таким чином перевіряємо умови формули 3.9:
За формулою 135 [1] проводимо розрахунок планки на дію умовної поперечної сили:
За формулами 136 [1] проводимо розрахунок поперечної сили і згинального моменту в планках:
За формулою 137 [1] проводимо перевірку кутових швів що закріплюють планку до гілок колони:
(3.10)
3.1 Розрахунок оголовка колони
Товщину опорної плити 
приймаємо конструктивно в межах 20…25мм. Болти виконують тільки фіксуючу роль і також назначаються конструктивно діаметром в межах 
.
Із умови міцності на зминання визначаємо товщину ребра (формула 138 [1]):
, (3.11)
де 
- довжина зминаємої площі.
Таким чином товщина опорного ребра складає:
(приймаємо 
)
За формулою 140 [1] визначаємо необхідний катет шва:
(3.12)
Висоту ребра визначаємо із умови міцності зварних швів, які закріпляють їх до стінок колон (формула 139 [1]):
(3.13)
(приймаємо )
Визначивши розміри ребра, необхідно перевірити його на зріз за формулою 139 [1]:
(3.14)
3.2 Розрахунок бази колон
За формулою 143 [1] визначаємо необхідну площу опорної плити, виходячи із умови забезпечення міцності бетону фундаменту під плитою:
, (3.15)
де 
– розрахунковий опір стисненню бетону фундаменту, 
;
– коефіцієнт, який залежить від співвідношення площі верхнього обрізу фундаменту і площі опорної плити бази;
– розрахунковий тиск колони на фундамент, який враховує власну вагу колони, кН
.
За формулою 144 [1] знаходимо розрахунковий тиск колони на фундамент
, (3.16)
– площа перерізу колони, м2
;
– довжина колони;
– вага 
перерізу колони за довідником;
- коефіцієнт надійності за навантаженням.
Таким чином розрахунковий тиск колони на фундамент складає:
Згідно формули 3.15 площа опорної плити колони складає:
За формулою 145 [1] встановлюємо ширину плити:
(3.17)
де 
- товщина траверси, приймається в межах 
;
– величина консольного звісу, приймається в межах 
.
Таким чином ширина плити складає:
За формулою 146 [1] визначаємо необхідну довжину плити:
Згідно умов [1] довжину плити приймаємо 
.
За формулою 147 [1] визначаємо напруження стиску опорної бази:
За формулами 148-150 [1] визначаємо найбільші згинальні моменти, що виникають у опорній плиті колони для смужки одиничної ширини 
:
За найбільшим згинальним моментом знаходимо необхідну товщину плити за формулою 152 [1]:
(приймаємо 
)
За формулою 153 [1] визначаємо висоту траверси колони:
(приймаємо 
)
За формулою 154 [1] навантаження на траверсу приймаємо рівномірно розподіленим:
За формулами 155-156 [1] найбільші значення згинального моменту в траверсі становить:
а) на консольних ділянках:
б) у прольоті:
За формулою 157 [1] найбільша поперечна сила на опорі складає:
За формулою 158 [1] проводимо перевірку міцності траверси на згин:
(3.18)
За формулою 159 [1] проводимо перевірку міцності траверси на зріз
(3.19)
ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ
1. Методичні вказівки до виконання курсової роботи Робочий майданчик виробничих будівель по курсу Металеві конструкції для студентів фаху 7.092101 Промислове і цивільне будівництво/Склад. В.В.Шкода. – Запоріжжя: ЗДІА, 1997-61 с.
2. Бадур А.И., Белогуров В.Д. Стальные конструкции. Справочник конструктора.-К.: Изд-во Сталь, 2004.-120 с.
3. Справочник конструктора металлических контрукций/ Васильченко В.Т., Рутман А.Н., Лукьяненко Е.П.-Киев: Будівельник, 1890.-288 с.
4. Справочник техника-конструктора. Изд. 3-е, перераб. И доп. Самохвалов Я.А., левицкий М.Я., Григораш В.Д. Киев, Техніка, 1978.-592 с.