кори №1. Расчет стального настила
![]()
|
+++++++++++++++++++++++ Расчет главной балки Подбор сечения балки Подберем сечение сварной главной балки для балочной клетки. Материал балки – сталь марки ВСт3пс6-2 (табл. П1) с Ry= 260 МПа = 26 кН/см2 для листа t=11÷20 мм и Rs = 150 МПа = 13,5 кН/см2; вес настила и балок настила q1 = 1,13 кН/м2 . Предельный прогиб (f /l) = 1/400 (0,0025); шаг главных балок В = 5,8 м; пролет L = 13,5 м. Максимально возможная строительная высота перекрытия – hстр = 1,75 м. Расчет производим на равномерно распределенную нагрузку, эквивалентную по интенсивности сосредоточенным грузам. Определяем нормативную и расчетную нагрузки на балку (рис. 3, а): qn = (pn + gn)·k·В = (16 + 1,13)·1,02·5,5 = 101,4 кН/м; q = (γfp·pn+ γfg·gn)·k·В = (1,2·16 + 1,05·1,13)·1,02·5,8 = 175 кН/м, где k – коэффициент, учитывающий собственный вес балки, ориентировочно 1 – 2%, В – шаг балок. Определяем расчетный изгибающий момент в середине пролета Мmax = ql2/8 = 175·182/8 = 7087,5 кН·м = 708 750 кН·см. Поперечная сила на опоре Qmax= ql/2 = 175 · 18/2 = 1575 кН. Определяем требуемый момент сопротивления балки с учетом развития пластических деформаций. Предварительно принимаем с1 = 1,1: Wd= Мmax/(с1·Ry·γc) = 708 750/(1,1·23·1) = 28 014 см3. Определяем оптимальную высоту балки, предварительно задав h≈ (1/12)l= = (18/12) = 1,5м и рассчитав толщину стенки по формуле tw = 7 + 3h/1000мм = 7 + 3 · 1500/1000 = 10,5 мм. Принимаем толщину стенки 12 мм. hopt=k · √ W/tw = 1,15 · √ 28 014/1,2 = 175,7 см. Минимальную высоту балки определяем по формуле: hmin= (5/24) · (c1· Ry ·l/E) · [l/ f] · (pn + gn)/( γfp·pn+ γfg·gn) = (5/24) · (1,1 · · 23 · 1800/2,06 · 104) · [400] ·146,7/175 = 154,4 см. Строительную высоту балки определяем исходя из максимально возможной заданной высоты перекрытия и его конструкции hгб = hстр– hбн– td = 190 – 30 – 1,0 = 159 см. Сравнивая полученные высоты, принимаем высоту балки h= 160 см, на 1 см больше hгб. Проверяем принятую толщину стенки: tw= 7 + 3 · 1600/1000 = 11,8 мм; из условия работы стенки на касательные напряжения на опоре по формуле tw = (3/2) · (Qmax/h · Rs) = 3 ·1575/2 · 160 · 13,5= 1,09 см. Чтобы не применять продольных ребер жесткости, необходимо выполнение условия tw≥ (hw· √Ry/E)/5,5, tw= (154 · √23/2,06 · 104)/5,5 = 0,94 см. Сравнивая полученную расчетным путем толщину стенки с принятой (12 мм), приходим к выводу, что она удовлетворяет условию прочности на действие касательных напряжений и не требует укрепления ее продольным ребром жесткости для обеспечения местной устойчивости. Размеры горизонтальных поясных листов находим исходя из необходимой несущей способности балки. Для этого вычисляем требуемый момент инерции сечения балки I = W · h/2 = 28 014 · 160/2 = 2 241 120 см4. Находим момент инерции стенки балки, принимая толщину поясов 3 см: hw=h – 2tf = 160– 2 · 3 = 154 см; Iw= twhw3/12 = 1,2 · 1543/12 ≈ 365 230 см4. Момент инерции, приходящиеся на поясные листы, If= I – Iw = 2 241 120 – 365 230 = 1 875 890 см4. Момент инерции поясных листов балки относительно ее нейтральной оси If ≈ 2Af(hef/2)2, где Аf – площадь сечение пояса. Моментом инерции поясов относительно их собственной оси ввиду его малости пренебрегаем. Отсюда получаем требуемую площадь сечения поясов балки Аf= 2If/hef2 = 2 · 1 875 890/1572 = 152,2 см, где hef= h – tf = 160 – 3 = 157 см. Тогда bf= Аf/ tf = 152,2/3 = 50,7 см. Ширину листа поясов принимаем по таблицы П16. Ближайший больший размер 53 см. Таким образом, принимаем пояса из универсальной стали 530 х 30 мм, для которой bf/h = 530/1600 = 1/3,02 находится в пределах рекомендуемого отношения (1/2 -1/5). Уточняем принятый ранее коэффициент учета пластической работы с исходя из Аf= bf· tf= 53 · 3 = 159см2; Аw= hw· tw = 154 · 1,2 = 184,8 см2; Аf/Аw = 159/184,8 = 0,860. По табл. П5 принимаем с1= 1,084, которое близка к ранее принятому с1= 1,1. Проверяем принятую ширину (свес) поясов по формуле bef /tf = [(bf – tw)/2]/tf = [(53 – 1,2)/2]/ 3 = 8,63 < 0,11 · hef /tw = 0,11 · 157/1,2 = = 14,39 < 0,5 · √ E/Ry= 14,96. Проверяем несущую способность балки по формуле М ≤ Ry · γc · hef2· tw· (Аf/Аw+ α) исходя из устойчивости стенки в области пластических деформаций балки в месте действия максимального момента, где Q и τ= 0: λw = (hw/tw) · √ Ry/E = (154/1,2) · √ 23/2,06 · 104 = 4,29; Мmax= 708 750 < Ry · γc · hef2· tw· (Аf/Аw+α) = 23 · 1 · 1572· 1,2 · (159/184,8+ +0,203) =723 440 кН·см, где α = 0,24 – 0,15(τ/Rs)2 – 8,5·10-3·(λw-2,2)2 = 0,24 – 8,5·10-3(4,29 – 2,2)2 = 0,203. Подобранное сечение балки проверяем на прочность. Для этого определяем момент инерции и момент сопротивления балки I = Iw+ If= Iw+ 2bf·tf·(hef /2)2 = 365 230 + 2·53·3·(157/2)2 = 365 230 + 1 959 600 ≈ ≈2 324 830 см4. W = 2·I / h = 2·2 324 830/160 = 29 060 см3. Наибольшее нормальное напряжение в балке σ = Мmax / (с1·W)= 708 750/(1,084·29 060) = 22,50 кН/см2 < Ry = 23 кН/см2. Недонапряжение составляет (23-22,5)·100% / 23 = 2,2 % < 5 %. Подобранное сечение балки удовлетворяет проверке прочности и не имеет недонапряжение больше 5%. Проверку прогиба балки делать не нужно, так как принятая высота сечения больше минимальной и регламентированный прогиб будет обеспечен. Сечение главной балки приведено на рис. 3. ![]() 3.2. Изменения сечения главной балки При равномерно распределенной нагрузке наивыгоднейшее по расходу стали место изменения сечения поясов однопролетной сварной балки находится на расстоянии х ≈ (1/5 ÷ 1/6)l = (1/5 ÷ 1/6)·18 =3,6÷3м от опоры. Место изменения сечения принимаем на расстоянии х = 3 м от опоры (рис. 4). Сечение изменяем уменьшением ширины поясов. Разные сечения поясов соединяем сварным швом встык электродами Э46 без применения физических методов контроля, т.е. для растянутого пояса Rwy = 0,85Ry = 0,85·23 = 19,55 кН/см2. Определяем расчетный изгибающий момент и перерезывающую силу в сечении: х =l/6 = 18/6 = 3 м; М1 = [q · x · (l – x)]/2 = [175·3 ·(18-3)]/2 = 3937,5 кН ·м = 393 750 кН · см; Q1 = q · (l/2 – x) = 175 · (18/2 – 3) = 1050 кН. Подбор измененного сечения ведем по упругой стадии работы материала по формуле Wd= Мmax/ Ry · γc. Определяем требуемый момент сопротивления и момент инерции измененного сечения исходя из прочности сварного стыкового шва, работающего на растяжение: Wd1 = М1 / Rwy= 393 750/19,55 = 20 140 см3; Id1 =Wd1· h/2 = 20140 · 160/2 = 1 611 200 см4. Определяем требуемый момент инерции поясов (Iw= 365 230 см4): If1= Id1 – Iw= 1 611 200 – 365 230 = 1 245 970 см4 Требуемая площадь сечения поясов Аf1 определяется из формулы If1 = Аf1· (hef /2)2· 2 = Аf1· hef2/2; Аf1 = 2 · If1/hef2 = 2 · 1 245 970 /1572 = = 101 cм2. ![]() Принимаем пояс 340 х 30 мм, Аf1 = 34 · 3 = 102 см2. Принятый пояс удовлетворяет рекомендациям bf1 >18 см; bf1 >h/10 = 160/10 = 16 см и bf1 >bf/2 = =53/2 = 26,5 см. Определяем момент инерции и момент сопротивления уменьшенного сечения (рис. 4): I1 = Iw+ 2 · bf1· tf· (hef /2)2 = 365 230 + 2 · 34 · 3 · (157/2)2 = 365 230 + +1 257 100 = 1 622 330 см4. W1 = 2 · I1/h = 2 ·1 622 330/160 = 20 279 см3. Наибольшие напряжения в месте изменения сечения балки равны: σ1 = М1/W1 = 393750/20279 = 19,42 кН/см2 < Rwy = 0,85 · 23 = 19,55 кН/см2. 3.3. Проверка и обеспечение общей устойчивости балки Проверка прочности балки. Проверяем максимальные нормальные напряжения в поясах в середине балки по формуле σ = Мmaqx / с1W= 708 750 / 1,084 ·29 060 = 22,50 кН/см2 < Ry = 23 кН/см2. Проверяем максимальные касательные напряжения в стенке на опоре балки по формуле τ= Qmax · S1 / I1 · tw = 1575 · 11564 /1 622 300 · 1,2 = 9,36 кН/см2 < Rs= 13,5 кН/см2, статический момент полусечения балки S1 = bf1· tf· hef/ 2 + tw· hw2 / 8 = 34 · 3 · 157 / 2 + 1,2· 1542 /8 = 8007 + 3557= =11564 см3. Проверяем местные напряжения в стенке под балками настила по формуле σloc = F / tw·lloc= 169,4 / 1,2 · 19,5 = 7,24 кН/см2, где F = Qmaxбн · 2 = 84,70 · 2 = 169,4 кН – опорные реакции балок настила; lloc = b + 2 · tf = 13,5 + 2 · 3 = 19,5 см – длина передачи нагрузки на стенку балки. Ввиду наличия местных напряжений, действующих на стенку балки, надо проверять совместное действие нормальных, касательных и местных напряжений по формуле σred= √ σ12 + σloc– σ1 · σloc+ 3 ·τ12 ≤ 1,15 · Ry · γc на уровне поясного шва (рис. 4, б) под балкой настила, по уменьшенному сечению вблизи места изменения сечения пояса. Под ближайшей балкой настила будет стоят ребро жесткости, которое воспримет давление балок настила, и передачи давления на стенку в этом месте не будет, поэтому проверяем приведенные напряжения по формуле σred= √ σ12 + 3 ·τ12 ≤ 1,15 · Ry · γc в сечении 1 – 1 - месте изменения сечения балки (где они будут максимальны): σred= √ σ12 + 3 ·τ12 = √ 18,692 + 3 · 4,322 = √ 349,3 + 56 = 20,1 ≤ ≤ 1,15 · Ry · γc = 1,15 · 23 · 1 = 26,45 кН/см2; σ1 = (М1 / W1) · (hw/ h) = (393 750 / 20 279) · (154 / 160) = 19,42 · 0,9625 = = 18,69 кН/см2; τ1 = (Q1 · Sf1) / (I1 ·tw) = (1050 · 8007) / (1 622 330 · 1,2) = 4,32 кН/см2; Sf1 = bf1 · tf · (hef / 2) = 34 · 3 · (157/2) = 8007 см3. Прочность балки обеспечена. Проверка общей устойчивости балки. Проверка общей устойчивости балки в месте действия максимальных нормальных напряжений, принимая за расчетный пролет l0- расстояние между балками настила: в середине пролета балки, где учтены пластические деформации, проверяем применимость формулы (7.14) [ 1 ]: 1 <h/bf= 160/53 = 3,02 < 6 и bf/tf= 53/3 = 17,7 < 35: l0/ b = 100/53 = 1,89 < δ· [ 0,41 + 0,0032 · bf/tf + (0,73 – 0,016 · bf/tf ) · bf/hef ] · √ E/Ry= = 0,3 · [0,41 + 0,0032 · 53/3 + (0,73 – 0,016 · 53/3) · 53/157] · √ 2,06 · 104/23 = = 0,3 · [0,41 + 0,0565 + 0,1510] · 29,927 = 5,54, где δ = [ 1 – 0,7· (с1 – 1) / (с-1)] = 0,3, так как τ= 0 и с1 = с. В месте уменьшенного сечения балки (балка работает упруго и δ = 1); l0 = 100 см – расстояние между балками настила lef/ bf1 = 100 / 34 = 2,94 < 1 · [0,41 + 0,0032 · 34 / 3 + (0,73 – 0,016 · 34 /3) · 34 / 157] · √ 2,06 · 104 / /23 = 1 · [0,41 + 0,0362 + 0,1188] · 29,927 = 16,91. Обе проверки показали, что общая устойчивость балки обеспечена. Проверка прогиба балки может не производиться, так как принятая высота балки больше минимальной h = 160 см > hmin= 154,4 см. 3.4. Проверка местной устойчивости элементов балки 1. Устойчивость сжатого пояса Проверка устойчивости сжатого пояса производится в месте максимальных нормальных напряжений в нем – в середине пролета балки, где возможны пластические деформации. Проверка производиться по формуле bef/ tf ≤ 0,11 · hef/ tw, но не более 0,5 · √ E / Ry. Рассчитываем hef/ tw = 157 / 1,2 = 130,8 > 2,7 · √ E / Ry = 2,7 · √ 2,06 ·104 / 23 = 80,8; bef/ tf= (53 – 1,2) / (3 · 2) = 8,63 < 0,11· hef/tw= 0,11 · 157 / 1,2 = 14,39, т.е. местная устойчивость пояса обеспечена. 2. Устойчивость стенки Первоначально определяем необходимость постановки ребер жесткости по формуле λw= (hw/ tw) · √ Ry / E = (154 / 1,2) · √ 23 / 2,06 · 104 = 4,29 > 2,2, т.е. вертикальные ребра жесткости необходимы. Кроме того, в зоне учета пластических деформаций необходима постановка ребер жесткости под каждой балкой настила, так как местные напряжения в стенке в этой зоне недопустимы. Определяем длину зоны использования пластических деформаций в стенке по формуле: а =l· √ 1 – (1 / c1) · (h / hw) = 1800 · √ 1 – (1/1,084) · (160 / 154) = 366,9 см. Расстановку вертикальных ребер жесткости принимаем по рис. 5. Нормами разрешается не проверять устойчивость стенок балок с поперечными ребрами жесткости для балок с двусторонними поясными швами и местной нагрузкой на пояс при λw ≤ 2,5. Устанавливаем необходимость проверки устойчивости стенки. Расчет λw= 4,29 > 2,5 показал, что проверку устойчивости стенки следует производить. Проверяем отсек «а». В соответствии с расшифровкой к формуле (7.46) [ 3 ] определяем средние значения М и Q в сечении 2 – 2 на расстоянии х = 350 см от опоры (под балкой настила), что почти совпадает с рекомендацией расстояния в hef/ 2 от края отсека: М2 = [q · х · (l– х)] / 2 = [175 · 3,5 · (18– 3,5)] / 2 = 4 440 кН·м = 444 000 кН·см; Q2 = q·(l/ 2– х) = 175 · (18 /2 – 3,5) = 963 кН. Определяем действующие напряжения σ = (М2 / W) · (hw/ h) = (444 000/ 29 060) · (154/ 160) = 14,7 кН/см2; τ= Q2 / (hw ·tw) = 963 / (154 · 1,2) = 5,2кН/см2; σloc= 7,24 кН/см2. Определяем критические напряжения. По формуле (7.40) [ 3 ] находим τcr= 10,3 · (1 + 0,76 / μ2) · Rs/ λef2 = 10,3 · (1 + 0,76 / 1,952) ∙13,5/4,292 = 9,06 кН/см2, где hef= hw; λef = λw= 4,29; μ = а / hef= 300 / 154 = 1,95, Rs= 13,5 кН/см2. σloc/ σ = 7,24 /14,7 = 0,49. По формуле (7.44) [ 3 ] определяем δ = β · (bf/ hef) · (tf/ tw)3 = 0,8 · (53 / 154) · (3 / 1,2)3 = 4,30. По табл. П8 при δ = 4,30 и а / hef= 1,95 предельное значение σloc/ σ = 1,177. Расчетное значение σloc/ σ = 0,49 < 1,177, поэтому σcrопределяем по формуле (7.45) [ 3 ]: σcr= (сcr ·Ry) / λw2 = (34,63 · 23) / 4,292 = 43,27 кН/см2, где сcr= 34,63 получено по табл. П6 при δ = 4,30. По формуле (7.48) [ 3 ] определяем σloc.cr, подставляя в нее из табл. П7 значение а / 2 вместо а: σloc.cr = (c1 · Ry) / λа2 = (21,6 · 23) / 4,182 = 28,4 кН/см2, где λа = (а/ 2 · tw) · √ Ry / E= (300 / 2 · 1,2) · √ 23 / 2,06·104 = 4,18; По табл. П7 при δ = 4,3, а / 2hw = 300 / 2 · 154 = 0,974 с1 = 21,02. Теперь подставляем все значения в формулу (7.47) [ 3 ] √ (σ / σcr+ σloc/ σloc.cr)2 + (τ/ τcr)2 = √ (14,7 / 43,27+ 7,24 / 28,4)2 + (5,2/ 9,06)2 = √ (0,340+ 0,255)2 + 0,5742 = √ 0,354+ 0,329 = √ 0,683 = 0,83 < γc = 1. Проверка показала, что устойчивость стенки обеспечена. ![]() 3.5. Соединение поясов балки со стенкой Так как балка рассчитана с учетом пластических деформаций, то швы выполняем двусторонние, автоматической сваркой в лодочку, сварочной проволокой Св – 0,8ГА. По формуле (7.57) [ 3 ] определяем толщину шва в сечении х = 50 см (рис. 5), под первой от опоры балкой настила, где сдвигающая сила максимальна kf= [ 1 / n · (β · Rw)min] · √ (Q · Sf / I)2 + (F / lloc)2 = (1 / 2 · 18,4) · √ (1575 · 8007 / 1 622 330)2 + (169,4 / 19,5)2 = 0,02717 · √ 60,42 + 75,46 = 0,316см. По табл. П2 определяем Rwf= 200 МПа = 20 кН/см2, а по табл. П1 Rwz = 160МПа = 16 кН/см2. По табл. П3 определяем βf = 1,1, βz = 1,15. Далее определяем более опасное сечение шва βfRwf = 1,1 · 20 = 22 кН/см2 > βz · Rwz = 1,15 · 16 = 18,4 кН/см2. Значения Q, I, F, llocвычислены ранее. Sf = b1 · tf · (hef / 2) = 34 · 3 · (157/2) = 8007 см3. По табл. П4 принимаем минимально допустимый при толщине пояса tf= 30 мм шов kf= 7 мм, что больше получившегося по расчету kf = 3,16 мм. 3.6. Расчет монтажного стыка главной балки на высокопрочных болтах Стык выполняем в середине пролета балки, где М = 7087,5 кН·м и Q = 0, конструкция стыка представлена на рис. 6. Стык осуществляем высокопрочными болтами d = 24 мм из стали 38ХС «селект», имеющий Rbun =1350 МПа = 135 кН/см2 (табл. П9); обработка поверхности газопламенная. Несущая способность болта, имеющего две плоскости трения, по формуле (6.4) [ 3 ] Qbh = Rbh· Аbn· (γb· μ / γh) · ks = 94,5 · 3,52 · (0,85 · 0,42 / 1,02) · 2 = 232,8 кН, где Rbh = 0,7 · Rbun= 0,7 · 135 = 94,5 кН/см2, Аbn = 3,52 см2 (табл. П10); γb= 0,85, так как разница в номинальных диаметрах отверстия и болта больше 1 мм; μ = 0,42 и γh = 1,02 (табл. П11); принимая способ регулирования натяжения болта по углу закручивания, ks = 2 – две плоскости трения. Стык поясов. Каждый пояс балки перекрываем тремя накладками сечениями 530 х 16 мм и 2 х 245 х 16 мм, общей площадью сечения Ан = 1,6 · (53 + 2 · 24,5) = 163,2 см2 > Аf= 53 х 3 =159 см2. Усилие в поясе определяем по формуле (7.62) Мf = М · If / I = 7087,5 · 1 959 600 / 2 324 830 = 5974 кН·м; Nf = Мf / hef = 5974 / 1,57 = 3 805 кН, где I, If и hef– определены выше. Количество болтов для прикрепления накладок рассчитывается по формуле (7.63) n = Nf /Qbh = 3805 / 232,8 = 16,3 Принимаем 18 болтов и размещаем их согласно рис. 6. Стык стенки. Стенку перекрываем двумя вертикальными накладками сечением 430 х 1460 х 8 мм. Момент, действующий на стенку, определяем по формуле (7.64) [3]: Мw= М · Iw/ I = 7087,5 · 365 230 / 2 324 830 = 1 113 кН·м. Принимаем расстояние между крайними по высоте рядами болтов amax= 1540 –2 · 110 = 1320 мм. Из формулы (7.66) находим коэффициент стыка α α = Мw/ (m· аmax· Qbh) = 111 300 / (2 · 132 · 232,8) = 1,81. Из табл. П12 находим количество рядов болтов по вертикали k при α = 1,81, k = 9 и α = 1,87 > 1,81. Принимаем 9 рядов с шагом 165 мм. Проверяем стык стенки по формуле (7.65) [ 1 ]: Nmax= Мw· аmax / (m· ∑ аi2) = 1 113 ·1,32 / ( 2 · 3,267) = 224,8 кН < Qbh = 232,8 кН, где ∑ аi2= 0,332 + 0,662 + 0,992 + 1,322 = 0,1089 + 0,4356 + 0,9801 + 1,7424 = 3,267 м2. Проверяем ослабление нижнего растянутого пояса отверстиями под болты dО = 27 мм (на 3 мм больше диаметра болта). Пояс ослаблен двумя отверстиями по краю стыка Аfn = 3,0 · (53 – 2 · 2,7) = 142,8 см2 > 0,85 · Аf = 0,85 ·53 · 3 = 135,2 см2. ![]() Ослабление пояса можно не учитывать. Проверяем ослабление накладок в середине стыка четырьмя отверстиями Аnнакл = 163,2 – 4 · 2 · 1,6 · 2,7 = 163,2 – 34,56 = 128,64 см2 < < 0,85 · Аf = 0,85 · 53 · 3 = 135,2 см2. Приходится увеличивать толщину накладок. Принимаем накладки толщиной 18 мм Аnнакл = 1,8 · (53 + 2 · 24,5) – 4 · 2 · 1,8 · 2,7 = 183,6 – 38,88 = 144,72 см2 > > 0,85 · Аf= 135,2 см2. |