Расчет и проектирование сварной подкрановой балки

КГБОУ СПО Комсомольский-на-Амуре

Авиационно-технический техникум

Курсовой проект

Расчет и проектирование сварной подкрановой балки

г.

Содержание

Введение

. Данные для расчёта

2. Расчет конструкции

2.1 Построение линий влияния и определение величины изгибающего момента для различных сечений балки от веса тяжести

.2 Определение изгибающих моментов в указанных сечениях балки от равномерно распределенной нагрузки

.3 Определение суммарных изгибающих моментов

.4 Построение линий влияния поперечной силы в сечениях балки от сосредоточенной нагрузки

.5 Определение поперечных сил в сечениях балки от равномерно распределенной нагрузки

.6 Определение суммарных поперечных сил

.7 Расчет номинальной высоты балки из условия норм жесткости

.8 Расчет высоты балки из условия ее наименьшего сечения

.9 Расчет ширины горизонтального пояса балки

.10 Проверочный расчет подобранного сечения балки

.10.1 Определение наибольшего нормального напряжения в волокнах балки, наиболее удаленных от центральной оси

.10.2 Определение касательного напряжения на уровне центра тяжести балки

.10.3 Определение эквивалентного напряжения в сечении балки

.11 Расчет балки на местную устойчивость

.12 Расчёт поясных швов

. Конструирование опорных узлов балки

. Краткая технология изготовления балки

Список используемой литературы

Введение

Балка применяется при строительстве более широких пролетов зданий она существенно сокращает вес всей конструкций, стоимость производства и увеличивает рентабельность проектов строительства. Сварная балка двутавровая - прекрасное решение для строительства Краснодара.

Сварная балка (двутавр) может различаться толщиной стенок и полок, по расположению граней полок, по назначению, по техническим характеристикам и по типу производства.

Балка двутавровая - сварная конструкция, из листов стали, которая по форме схожа с горячекатаной балкой. Качество балки сварной контролируется ГОСТом 23118-99. По форме и размерам сечения двутавра соответствуют ГОСТ 26020-83. Кроме того по индивидуальным чертежам и эскизам могут производиться двутавровые сварные балки специальных размеров.

Использование сварной двутавровой балки представляет из себя решение задачи сокращения емкости металла металлической конструкции, а также общее сокращение числа изделий из металла использованных при строительстве. Применение конструкций, в основе которых лежит сварная балка, позволяет изготавливать недорогие и надежные строительные объекты.

Сварная балка производится на линии сварки под флюсом, с использованием современного оборудовании. Что обеспечивает высокие технические характеристики балки

Применение

Двутавровая балка востребована при строительстве промышленных и жилых, сельскохозяйственных зданий, объектов. Кроме того сварная двутавровая балка используется в перекрытиях, рабочих площадках, подкрановых балках, эстакадах и мостах, других металлических конструкциях. Использование двутавровой балки в широких пролетах промышленных объектов отличается высокой эффективностью. Это позволяет избежать повышенных нагрузок на несущие конструкции, экономя при этом металл

Основное преимущество использования сварной балки - это снижение стоимости и сроков монтажных работ

Преимущества сварной двутавровой балки для строительства:

Возможность применения различных типов стали

Снижение массы металлоконструкции на 10%

Заказ при равной цене сварной балки различной длины

Использование нестандартной длины и формы

Надежность

На сегодняшний день балка сварная двутавровая может принадлежать к одному из следующих типов:

Сварная балка двутавровая колонная

Сварная балка для подвесных путей

Сварная двутавровая балка нормальная

Балка сварная широкополочная

Балка сварная двутавровая с параллельными гранями полок

Балка сварная для армирования шахтных стволов.

Балка двутавровая с уклоном граней полок

1. Данные для расчёта

Разработать конструкцию сварной подкрановой балки пролетом L со свободно опертыми концами. Балка нагружена равномерной нагрузкой от собственного веса q и вторая сосредоточенными грузами F(от веса тяжести тележки груза), которые могут перемещаться по рельсам сечением 50x50 мм. Расстояние между осями тележки d. Наибольший прогиб балки f от сосредоточенных грузов не должен превышать 1/500 от L. Допускаемое напряжение в подкрановых балках []р с учетом марки стали и коэффициентом усилия работы m и перегрузки n.

Рисунок 1.1 - Расчетная схема балки

Таблица 1.1- Данные для расчета балки

Марка	F,кН	Q,кН/м	L,м	D,м	m	n
09Г2	100	2	12	2	0,8	1,3

Основной металл данной конструкции- сталь.

Таблица 1.2- Химический состав стали

 Углерод С,%

 Кремний Si,%

 Марганец Mn,%

 Фосфор P,%

 Сера S,%

09Г2

0,14-0,18

 0,17-0,37

1,4 - 1,6

 0,03

 0,04

и Ni ≤ 0,3

Свариваемость стали по величине эквивалента углерода определяют по формуле

Cэ = С+ (1.1)

где C- углерод, %марганец, %кремний, %никель, %хром, %

Сэ = 0,14+0,07+0,02+0,02+0,03= 0,28%

Стали у которых Сэ = 0,2-0,35%, хорошо сваривается.

При расчете величина эквивалентного углерода Сэ = 0,21% следовательно сталь хорошо сваривается.

Допустимое напряжение определяют по формуле

[σ]р= (1.2)

где σт - предел текучести, МПа = 310МПа- коэффициент угловой работы, m = 0.8- коэффициент запаса прочности, n = 1.5

2. Расчет конструкции

 

.1 Построение линий влияния и определение величины изгибающего момента для различных сечений балки от веса тяжести

Максимальные ординаты yi max линий влияния для различных сечений xi определяется по формуле:

max= xi (2.1)

где xi - координата рассматриваемых сечений, м- Длина пролета балки, м

а - координата перемещения груза, м. а = xi

X1 = 0,1L y1 = = 0,2L y2 = = 0,3L y3 =

X4 = 0,4L y4 = = 0,5L y5 =

По полученным данным строим линии влияния моментов изгиба.

Изгибающие моменты для указанных сечений от сосредоточенных сил- Mf, кНм, определяют по формуле

= yi max (2.2)

где F- величина сосредоточенного груза, кНрасстояние между осями тележки, м

M1F = F = F = F =

M5F =

По полученным данным строим эпюру изгибающих моментов, MF.

 

.2 Определение изгибающих моментов в указанных сечениях балки от равномерно распределенной нагрузки

Изгибающие моменты в указанных сечениях балки от равномерно распределенной нагрузки Mq, кНм, определяют по формуле:

Miq =  (2.3)= 0,1L M1q = = 0,2L M2q = = 0,3L M3q = = 0,4L M4q = = 0,5L M5q =

По полученным данным строим эпюру изгибающих моментов, Mq

2.3 Определение суммарных изгибающих моментов

Суммарные величины изгибающих моментов в сечениях балки от сосредоточенных сил и равномерно распределенной нагрузки MΣ, кНм, определяют по формуле:

MiΣ = Mif + Miq (2.4)

M1Σ = M1f + M1q = 196+13=209 кНм

M2Σ = M2f + M2q = 344+23=367 кНм

M3Σ = M3f + M3q = 444+30=474 кНм

M4Σ = M4f + M4q = 496+34=530 кНм

M5Σ = M5f + M5q = 500+36=536 кНм

По полученным данным строим эпюру изгибающих моментов

 

.4 Построение линий влияния поперечной силы в сечениях балки от сосредоточенной нагрузки

 

Определяется по формуле

;  (2.5)

=0; ; =0.1L; ;  =0.2L; ;  =0.3L; ;  =0.4L; ;  =0.5L; ;

По полученным данным строят линии влияния поперечной силы

Поперечные силы в указанных сечениях от сосредоточенной нагрузки Qf, кН, определяют по формуле:

Qif = yi` (2.6)= 0 Q0f = y0`= 0,1L Q1f = y1`= 0,2L Q2f = y2`= 0,3L Q3f = y3` = 0,4L Q4f = y4`

X5 = 0,5L Q5f = y5`

По полученным данным строят эпюру поперечных сил.

 

.5 Определение поперечных сил в сечениях балки от равномерно распределенной нагрузки

Поперечные силы в указанных сечениях от равномерно распределенной нагрузки Qq, кН, определяют по формуле:

Qiq= (2.7)= 0 Q0q== 0,1L Q1q== 0,2L Q2q== 0,3L Q3q== 0,4L Q4q== 0,5L Q5q=

По полученным данным строят эпюру поперечных сил.

 

.6 Определение суммарных поперечных сил

Суммарное значение поперечных сил в указанных сечениях от сосредоточенной силы и равномерно распределенной нагрузки QiΣ,кН, определяется по формуле:

QiΣ = Qif + Qiq (2.8)

Q0Σ = Q0f + Q0q = 183+12= 195кН

Q1Σ = Q1f + Q1q = 156+8.6= 165.6кН

Q2Σ = Q2f + Q2q = 130+7.2= 137.2кН

Q3Σ = Q3f + Q3q =107+4.8= 111.8 кН

Q4Σ = Q4f + Q4q = 86+2.4= 88.4кН

Q5Σ = Q5f + Q5q = 66+0= 66кН

По полученным данным строят эпюру суммарных поперечных сил

.7 Расчет номинальной высоты балки из условия норм жесткости

Рисунок 2.1 Определение высоты балки из условия жесткости.

Наименьшую высоту балки из условия норм жесткости hж, мм определяют по формуле:

где: а - координата перемещения груза, м.

Модуль продольной упругости, МПа. Е = , МПа

 - уточненное значение допускаемого напряжение, Н/мм²

Уточненное значение допускаемого напряжения , Н/мм², определяют по формуле:

 = ; МПа

 = МПа

Определяем hж, м

Принимаем hж=910 мм

2.8 Расчет высоты балки из условия ее наименьшего сечения

Требуемую высоту из условия ее наименьшей массы определяют по формуле:

 (2.10)

где - толщина верхней стенки, см

=  (2.11)

= = 0,71мм ≈ 8 мм

Принимают =8 мм

 мм

Для дальнейшего расчета принимают большее из двух полученных значений h, мм

Принимают высоту h= 910 мм

Высоту вертикального листа , мм, определяют по формуле

 (2.12)

где  - толщина горизонтального пояса, мм.

=  мм

= мм

Принимают =10 мм

 мм

Принимают =890 мм

Рисунок 2.2 Предварительно подобранное сечение балки

 

.9 Расчет ширины горизонтального пояса балки

Определяем ширину горизонтального пояса балки.

Требуемый момент сопротивления балки Wтр, мм определяют по формуле:

 (2.13)

 мм³

Требуемый момент инерции поперечного сечения балки Jтр, мм определяют по формуле:

Iтр= Wтр (2.14)тр= 2.8мм⁴

Осевой момент инерции вертикального листа Jxв, мм относительно оси X определяют по формуле:

в =  (2.15)в = 469, мм⁴

Осевые моменты инерции горизонтальных листов Jxг, мм определяют по формуле:

г = Iтр - Ixв (2.16)г = 1680 - 1095= 805мм⁴

Требуемую площадь поперечного сечения горизонтального пояса Аг определяют по формуле:

Аг= (2.17)

где  - расстояние от центра тяжести горизонтального листа до центра тяжести балки, мм

Аг - площадь поперечного сечения горизонтального листа, мм²

 мм

Аг=мм²

Ширину горизонтального пояса b, мм, определяют по формуле

 мм

Принимают b=198мм

Рисунок 2.3 - Проверочный профиль сечения балки

 

.10 Проверочный расчет подобранного сечения балки

 

.10.1 Определение наибольшего нормального напряжения в волокнах балки, наиболее удаленных от центральной оси

Наибольшее нормальное напряжение в волокнах балки наиболее удаленных от центральной оси , МПа определяют по формуле:

 

 (2.18)

где Ymax - расстояние от нейтральной оси до наиболее удаленных волокон балки, мм.- уточненное значение осевого момента инерции подобранного сечения балки, мм⁴.

= = мм=  (2.19)

где: y1 - расстояние от центра тяжести горизонтального пояса до центра тяжести сечения балки

=  ммх = 1271мм⁴

=191 МПа

 

.10.2 Определение касательного напряжения на уровне центра тяжести балки

Касательное напряжения на уровне центра тяжести балки в опорном его сечении, где поперечная сила имеет максимальное значение  н/мм² определяют по формуле.

 (2.20)

где  - суммарная поперечная сила в опорном сечении балки, кН

 - статистический момент половины площади поперечного сечения балки относительно ее центра тяжести, мм³

н/мм²

Принимаем =26 н/мм²

 

.10.3 Определение эквивалентного напряжения в сечении балки

Эквивалентное напряжение определяется на уровне верхней кромки вертикального листа в зоне резкого изменения ширины поперечного сечения.

Нормальное напряжение н/мм² определяют по формуле:

 (2.21)

Принимают =188 н/мм²

Касательное напряжение в тех же волокнах от поперечной силы определяют по формуле:

 (2.22)

где -Статический момент площади сечения горизонтального пояса относительно центра тяжести сечения балки, мм³.

=9.8мм³

 н/мм²

Эквивалентное напряжение ,н/мм² определяют по формуле:

 (2.23)

 н/мм²

 

.11 Расчет балки на местную устойчивость

В сжатых поясах потеря устойчивости может быть связана с нормальными сжимающими напряжениями и комбинациями нормальных и касательных напряжений.

Чтобы обеспечить местную устойчивость сечения балки, приваривают ребра жесткости.

Рисунок 2.5- Расстановка ребер жесткости

a=1.5hв (2.24)

где: а - расстояние между ребрами жесткости, мм

=1.5 мм

Ширину ребра жесткости, вр, мм, определяют по формуле

 (2.25)

 мм

По конструктивным соображениям ширину ребра жесткости вр уменьшают.

Принимают вр=70 мм

Толщину ребер жесткости Sр, мм определяют по формуле:

рр=4,6 мм

Принимают Sр=4,6 мм

Нормальное напряжение в верхнем волокне вертикального листа (пояса) определены ранее

 н/мм²

Среднее касательное напряжение от поперечной силы в среднем сечении балки , н/мм² определяют по формуле:

 (2.26)

 н/мм²

Рисунок 2.6 Местное влияние сосредоточенных сил.

Местное напряжение σт, н/мм² вызванное сосредоточенной нагрузкой F определяют по формуле:

σт (2.27)

где: -коэффициент, учитывающий режим работы балки

Принимают = 0,8

 - условная длина, по которой проходит передача сосредоточенной нагрузки на вертикальный лист, мм:

 (2.28)

где  - осевой момент инерции горизонтального пояса совместно с приваренным к нему рельсом относительно оси, проходящей через их общий центр тяжести, мм

 (2.29)

где:  - площадь сечения горизонтального пояса, мм²

 - площадь сечения рельса, мм²

- координата центра тяжести горизонтального пояса, мм

 - координата центра тяжести рельса, мм

балка двутавровый подкрановый сечение

Рисунок 2,7- Определение центра тяжести горизонтального пояса и рельса

Аг=b×Sг

Аг=198 ×10=1980 мм²

мм²

мм

мм

мм

Момент сечения горизонтального пояса Iхг, мм⁴ и рельса относительно оси совпадающей с верхней кромкой пояса, Хг определяют по формуле:

 (2.30)

мм⁴

Осевой момент инерции сечения Iх01, мм, и рельса относительно оси, проходящий через их общий центр тяжести определяют по формуле:

где А = Аг+Ар

мм²

мм⁴

Условную длину Z0, мм определяют по формуле (2.27)

мм

Местное напряжение σm, н/мм определяют по формуле (2.26)

МПа

Местная устойчивость сечения балки гарантируется.

2.12 Расчёт поясных швов

Поясные швы соединяют горизонтальные листы с вертикальными. Рабочими напряжениями в поясных швах являются касательные напряжения τ, МПа.

Принимают К=5 мм

Касательные напряжения в нижних поясных швах τн МПа, определяют по формуле:

 (2.30)

Где

Q0Σ - расчётная поперечная сила в опорном сечении балки, кН.н - статистический момент нижнего горизонтального пояса относительно горизонтального пояса в сечении балки.х - уточненное значение осевого момента инерции подобранного сечения, мм⁴

мм³

н/мм²

Принимают =16 н/мм²

Рисунок 2.8 К расчету поясных швов.

Касательные напряжения в верхних поясных швах, при этом учитывают приваренный к данному поясу рельс τв, МПа определяют по формуле:

 (2.31)

де SВ - статистический момент сечения верхнего горизонтального пояса совместно с приваренным к нему рельсом, относительно центра тяжести сечения балки, мм².

мм

мм³

н/мм²

К касательным напряжениям найденным в верхних поясных швах необходимо добавить касательные напряжения вызванные перемещающейся сосредоточенной нагрузкой τF МПа, определяют по формуле

 (2.32)

где n - коэффициент зависящий от характера обработки кромки вертикального листа,

Принимают n = 1.3

н/мм²

Принимают =75н/мм²

Условные результирующие касательные напряжения в верхних поясных швах τрез МПа, определяют по формуле:

 (2.33)

н/мм²

Принимают τрез= 85 н/мм²

 н/мм²

Принимают = 123н/мм²

Вывод: касательные напряжения в верхних и нижних поясных швах меньше допускаемых. Прочность швов гарантирована.

3. Конструирование опорных узлов балки

Опорные части балки конструируют в форме выпуклых плит. На одной из них балка имеет продольную подвижность, на другой она закреплена от продольного смещения болтами или штырями.

Рисунок:3.1 Конструкция опорной части балки

где: ширина опорной плиты, мм

 мм

Принимают =230мм

мм

Принимают a=330мм

где: -Толщина плиты у концевой части, мм

Принимают =15мм

где: R- радиус цилиндрической поверхности, м

Принимают R=2м =2000 мм

где: d- диаметр отверстий под болты, мм

Принимают d=20 мм

 (3.1)

где: - момент изгиба на оси плиты, нм

где: , кН

мм

мм

Принимают S= 36мм

4. Краткая технология изготовления балки

Балка состоит из трёх листовых элементов. При сборке нужно обеспечить симметрию и взаимную перпендикулярность полок и стенки, при сжатии их друг к другу и последующее закрепление прихватками. Для этой цели используют самоходный портал.

При изготовлении двутавровых балок поясные швы обычно сваривают автоматически под слоем флюса. Приёмы и последовательность наложения швов могут быть различными. Выбираем выполнение шва "в лодочку" так как данное положение шва обеспечивает благоприятные условия их формирования и проплавления, зато приходиться кантовать изделие после сварки каждого шва. Для поворота используют позиционеры - кантоватли.

Рисунок 4.4 - Цепной и рычажный кантователи.

При сварке двутавровой балки наложение швов осуществляется по диагонали во избежание деформации.

Рисунок 4.5 - Порядок наложения швов

После сварочного участка балка отправляется на участок отделки, где последовательно проходит сначала через две машины для правки грибовидности полок, а затем два торцефрезерных станка.

Рисунок 4.6 Станок для правки грибовидности.

Для сварки поясных швов выбирают автомат АДФ-1002 и комплектующийся к нему источник ТДФЖ-1002.

Для сварки рёбер жесткости выбирают ТД-206.

Для сварки рельса пользуются полуавтоматом ПДГ-508 и источник питания ВДГ-508.

Список используемой литературы

1. Николаев Г.А. Винокуров В.А. Сварные конструкции. Расчет и проектирование, М. Высшая школа 1996 г.

. Блинов А.Н. Лялин К.В. Сварные конструкции. М. Строительное издание 1990 г.

. Николаев Г.А Курин С.А. Винокуров В.А. Расчет, проектирование и изготовления сварных конструкций, М. Высшая школа 1971 г.