Балка сварная двутавровая

Балка сварная двутавровая

Расчёт и проектирование сварных конструкций

Балка сварная двутавровая

Курсовой проект

Содержание

Введение

1.Описание конструкции и условий эксплуатации

2. Выбор материала

3. Пример расчёта и конструирования двутавровой балки

3.1 Определение расчётных нагрузок и построение эпюр изгибающего момента  и поперечной силы (Q)

4.Определение высоты балки

.1 Из условия жёсткости с учётом прочности

.2 Из условия минимального веса с учётом прочности

.3 Выбор и обоснование проектной высоты балки

5. Конструирование сечения балки

.1 Определение требуемых моментов сопротивления и инерции

.2 Подбор площади поперечного сечения горизонтальных поясов балки

.3 Определение уточненных значений высоты балки (h), момента сопротивления сечения (Wx) и момента инерции сечения (Ix) относительно оси х-х  балка сварная ребро

5.4 Проверка прочности сечения балки

.5 Проверка жёсткости балки

.6 Проверка общёй устойчивости балки

.7 Проверка местной устойчивости элементов балки

.8 Подбор рёбер жёсткости

6. Конструирование и расчёт сварных соединений

.1 Выбор и обоснование способа сварки

.2 Расчёт поясных швов

.3 Расчёт стыков балки

7.Конструирование и расчёт опорных плит балки

Заключение

Литература

Введение

Сварка- великое изобретение конца прошлого века, принадлежащее нашим соотечественникам Н.Н Бенардосу и Н.Г Славянину.

Сварка является одним из ведущих технологических процессов обработки металлов.

Определены основные направления развития сварочного производства:

Замена клепаны, литых, кованных конструкций более экономическими сварными.

Сварка ГОСТ19903-74 называется технологический процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями, при их общем или местном нагреве, или совместным действием того и другого.

Сварка- широко применяется в основных отраслях производства, потребляющих металлопрокат, так как резко сокращает расход метала, сроки выполнения работ и трудоемкость производительных процессов.

Выпуск сварных конструкций и уровень механизации сварных работ расчет из года в год.

Применение сварки способствует совершенствованию машиностроения и развитию новых отраслей техники- ракетостроение, атомной энергетики, радиоэлектроники. Проводятся работы по выполнению сварки в открытом космосе.

Большие приемущества сварки обеспечили ее широкое применение в народном хозяйстве: в медицине, без неё сейчас немыслимо производство судов, турбин, котлов, самолетов, мостов, реакторов и других конструкций.

.Описание конструкции и условий эксплуатации

Балки- конструктивные элементы сплошного или сварного сечения, работающие на изгиб. Балки- входят в состав конструкций машин и сооружений. Они представляют собой основные элементы рам различного назначения, например рамы перекрытия и мостов. Большие применение имеют балки кранов, вагонов, станин, а так же металлических каркасов зданий, двутавровые балки и коробчатые с измененным поперечным сечением. Сварочные двутавры целесообразны и экономичны. Они позволяют изготовить профили с различными отношениями Jх/JУ, с разной шириной и толщиной вертикальных листов, а так же горизонтальных. Стойкость сварного двутавра высокого номера. При проектирование конструкций сварных балок учитывают следующие требования: Жесткость конструкции при условии наименьшего условия балки. Расчетные напряжения в балке не должны превышать допускаемых значений. Вес балки, удовлетворяющие всем требованиям эксплуатации, тем более рационально спроектирована конструкция. Устойчивость. Местную для отдельных частей балки, а так же для всей конструкции в целом. Рациональность сварных изделии. Соединения балок должны быть технологичными в изготовке, то и есть простыми и экономичными в изготовлении. Соответствии требованиям общей компоновке всего сооружения и машины, в состав которых в качестве элемента входит рассматриваемая балка. Балки применяются для конструкций большой грузоподъемности.

.Выбор материала

Для изготовления двутавровой балки выбираем Ст5пс по ГОСТ 380-80 Сталь Ст5пс конструкционная углеродистая обыкновенного качества. Выбор производится с учетом характера нагрузок, условий работы конструкции и её экономичности. Конструкция должна удовлетворять условиям жесткости, прочности и выносливости.

Таблица1 Химический состав стали Ст5пс ГОСТ 380-80

Таблица2 Механические свойства стали Ст5пс ГОСТ 380-80

С (углерод) повышает прочность, понижает закаливаемость, понижает пластичность и удельную вязкость. Mn ( марганец)- повышает прочность, мало влияет на пластичность, коррозионную стойкость и свариваемость. Si ( кремний)- увеличивает прочность, содержание не более 0,6% при большом содержании увеличивает хладноломкость, улучшает механические свойства и ухудшает пластичность. S (сера) - является вредной примесью, содержание серы выше 0,04% приводит к горячим трещинам. P ( фосфор)- снижает ударную вязкость, его содержание в металле шва не должно быть 0,04%.

Сварка производится без подогрева и без последующей термообработки, ограниченно свариваемая сварка возможна при подогреве до 100-120 градусов, и последующей термообработке. Трудносвариваемая для получения качественных сварных соединений требуются дополнительные операции: подогрев до 200-300 градусов. При сварке, термообработка после сварки - отжиг.

. Определение расчётных нагрузок и построение эпюр изгибающего момента и поперечной силы (Мизг,Q)

Рисунок 1 - Эпюры изгибающего момента и поперечной силы

Определить изгибающий момент в сечении под сосредоточенной силой.

Определить изгибающий момент в середине пролёта.

Определить поперечную силу в сечении под сосредоточенным грузом.

Определить поперечную силу на опоре.

Таким образом, величиной максимального момента для балки является

4. Определение высоты балки

4.1 Определение высоты из условий жёсткости с учётом прочности

Так как от суммарного момента  напряжение достигает:

          ;

то от момента , вызванного сосредоточенными грузами, напряжение будут составлять:

,

Эту величину и следует учитывать вместо , при определении требуемой высоты h.

Прогиб от 2-х сосредоточенных сил Р, расположенных симметрично в пролёте равен

Если заменить  через , то

Величина М может быть выражена через напряжения

, где , то после подстановки получим

, откуда

,

4.2 Определение высоты балки из условия минимального веса, с учётом прочности

Предварительно задаётся толщина вертикального листа - При подборе в первом приближении можно воспользоваться формулой:

, где  в метрах;

.

Вывод: Так как требуемая высота, найденная из условия наименьшего веса больше чем из условий жёсткости, то следует принимать наибольшую высоту.

С учётом графика зависимости отношения высоты и площади поперечного сечения балки принимаем требуемую cм для проектируемой балки.

Принимается высота вертикального листа:

Предварительно задается толщина полки

Рисунок 2- Поперечное сечение сварной двутавровой балки

5. Конструирование сечения балки.

5.1 Определение требуемых моментов сопротивления и инерции

Момент инерции вертикального листа (стенки) -  

Требуемый момент инерции горизонтальных листов (полок):

где - момент инерции горизонтального листа относительно собственной оси очень мал  и поэтому им можно пренебречь;

- расстояние от центра горизонтального листа до центра тяжести балки.

.2 Подбор площади сечения горизонтальных поясов балки

Требуемая площадь сечения одного горизонтального листа балки равно:

Необходимо подобрать размеры пояска, чтобы площадь сечения была больше или равно  и чтобы выполнялось местной устойчивости горизонтального пояса

Предварительно принимается  и находиться ширина пояса:

Принимается

Условие местной устойчивости выполняется и тогда площадь сечения пояса  при  и  мм будет:

Рисунок 3 - Распределение напряжений по сечению балки

.3 Определение уточнённых значений высоты балки, момента инерции и момента сопротивления.

где

.4 Проверка прочности сечения балки

1)  Наибольшее нормальное напряжение в крайнем волокне балки:

 - расстояние до крайнего волокна балки.

Отклонения определяются по формуле

Вывод:

Сечение спроектировано экономично, так как отклонение наибольшего напряжения  составило 0,69% и не превышает 5%.

) Определить касательное напряжение на уровне центра тяжести балки в опорном её сечении при

где S - статический момент половины площади сечения относительно центра тяжести балки.

3) Определить эквивалентные напряжения на уровне верхней кромки вертикального листа в сечении, где имеется большой изгибающий момент  и .

вычислим в этом волокне балки напряжения

вычислим в этом же волокне напряжение

где Sг - статический момент площади горизонтального листа

что меньше наибольшего нормального напряжения в крайнем волокне.

5.5 Проверка жёсткости балки

Определить действительный прогиб балки от сосредоточенных грузов:

Норма жёсткости

Вывод: Жесткость обеспечивается

.6 Проверка общей устойчивости балки

Общая устойчивость проверяется по формуле:

 - коэффициент, являющийся функцией коэффициента, который определяется по формуле

 - свободная длина балки, см

Зная коэффициент , определяем из графика [1], стр. 211.

Момент инерции балки относительно оси

;

Полученный корректировать по приведенной на стр. 211 таблице пересчёта.

Принять .

Вывод: Общая устойчивость балки обеспечена, так как:

.7 Проверка местной устойчивости элементов балки

Проверка устойчивости вертикального листа (стенки)

где  для Ст5пс

 - предел текучести стали

5.8 Подбор рёбер жёсткости

Ширина ребра  

Принять  

Толщина ребра  

Принять

Вывод: Местная устойчивость горизонтального листа выполняется, так как из условия местной устойчивости:  (см. п. 5.2)

6. Конструирование и расчёт сварных соединений балки

6.1 Выбор и обоснование способа сварки

Выбрать способ сварки:

а) для стыков балки

стыковые швы выполнить автоматической сваркой под слоем флюса по ГОСТ 8713-79-С7-Аф

Рисунок 4 - Форма подготовки кромок и поперечного сечения сварного шва стыкового соединения

б) для поясных швов

Поясные швы выполнить автоматической сваркой под флюсом по ГОСТ 8713-79-Т3-Аф- 6

Рисунок 5-Форма подготовки кромки и поперечного сечения сварного шва таврового соединения

Принять

в) Швы приварки рёбер жёсткости выполнить полуавтоматической сваркой в среде СО2 по ГОСТ 14771-76-Т3-УП- 5.

Рисунок 6 - Форма подготовки кромок и поперечного сечения сварного шва таврового соединения.

Принять

6.2 Расчёт поясных швов

Рабочими напряжениями в поясных швах в соединениях без подготовки кромок являются касательные.

Напряжениями в поясных швах вызванные поперечной силой

 определяется:

,

,

г - статический момент горизонтального листа относительно центра тяжести. (Формула 26)

 2) Местное напряжение в поясных швах под сосредоточенной силой определяется по формуле:

,

,

Результирующее напряжение

,

.

.

Вывод: Прочность шва обеспечена.

.3 Расчёт стыков балки

По ГОСТ 19903-74 при толщине листа 12мм длина листа 5000мм, ширина 1400мм. При толщине листа 12мм ширина листа 1400мм, длина 5000мм. Для определения общего количества материала, определения размеров деталей и количества стыков, необходимо определить общую длину балки

                   5000

   l1   Sp                p                                                             p

,

где     - общая длинна балки, мм;

 - длина балки между опорами, мм;

 - Расстояние от опорного ребра до края стенки назначить конструктивно:

 - для балок из малоуглеродистой стали;

 - толщина ребра, мм;

 - расстояние между рёбрами на опоре принять конструктивно, с учётом удобств проведения сварочных работ;

.

На балке 1 технологический стык

7. Конструирование и расчёт опорных плит

 - радиус плиты

 - ширина плиты

 - диаметр штырей

 - толщина плиты

 - момент плиты

,

,

С - овальное отверстие в подвижной опоре

где С’=1см - добавка к длине овального отверстия

 - коэффициент линейного расширения для материала балки.

 - период температуры при эксплуатации балки

Принимаем

Рисунок 8 - Подвижная опора балки

Заключение

В данном курсовом проекте рассчитано и спроекцировано сварная балка двутаврового профиля. Подобные балки используются в строительстве. Сварная балка двутаврового профиля, лежащая на двух опорах рассчитываются по методу допускаемых напряжений с учетом условий эксплуатации при заданной нагрузке. При проектировании данной конструкции учитывалось требование экономических показателей. При подбое сечения балки учитывались свойства материала и заданные нагрузки.

Литература

Блинов А.Н., Лялин К.В. Сварные конструкции.- М.: Стройиздат, 1990

ГОСТ 2.302 - 68, ГОСТ 8713 - 79, ГОСТ 14771 - 76, ГОСТ 19903 - 74

Николаев Г.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Расчёт и проектирование. - М.: Высшая школа, 1990

Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Технология изготовления. Автоматизация производства и проектирования сварных конструкций. - ч. II, М.: Высшая школа, 2014

Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Прочность сварных соединений и деформаций конструкций. -ч. 1, М.: Высшая школа,1982

Стрижнёв В.Н. Методическое пособие по расчёту и конструированию двутавровой балки. - Н.Новгород, 2011

Шебеко Л.П. Экономика, организация и планирование сварочного производства. -М.:Машиностроение, 2014