1. Сбор нагрузок

Перед началом расчета стальной балки необходимо собрать нагрузку, действующая на металлическую балку. В зависимости от продолжительности действия нагрузки разделяют на постоянные и временные.

• собственный вес металлической балки;
• собственный вес перекрытия и т.д.;

• длительная нагрузка (полезная нагрузка, принимается в зависимости от назначения здания);
• кратковременная нагрузка (снеговая нагрузка, принимается в зависимости от географического расположения здания);
• особая нагрузка (сейсмическая, взрывная и т.д. В рамках данного калькулятора не учитывается);

Нагрузки на балку разделяют на два типа: расчетные и нормативные. Расчетные нагрузки применяются для расчета балки на прочность и устойчивость (1 предельное состояние). Нормативные нагрузки устанавливаются нормами и применяется для расчета балки на прогиб (2 предельное состояние). Расчетные нагрузки определяют умножением нормативной нагрузки на коэффициент нагрузки по надежности. В рамках данного калькулятора расчетная нагрузка применяется при определении прогиба балки в запас.

После того как собрали поверхностную нагрузку на перекрытие, измеряемой в кг/м2, необходимо посчитать сколько из этой поверхностной нагрузки на себя берет балка. Для этого надо поверхностную нагрузку умножить на шаг балок(так называемая грузовая полоса).

Например: Мы посчитали, что суммарная нагрузка получилась Qповерхн.= 500кг/м2, а шаг балок 2,5м. Тогда распределенная нагрузка на металлическую балку будет: Qраспр.= 500кг/м2 * 2,5м = 1250кг/м. Эта нагрузка вносится в калькулятор

Далее производится построение эпюры моментов, поперечной силы. Эпюра зависит от схемы нагружения балки, вида опирания балки. Строится эпюра по правилам строительной механики. Для наиболее частоиспользуемых схем нагружения и опирания существуют готовые таблицы с выведенными формулами эпюр и прогибов.

После построения эпюр производится расчет по прочности (1 предельное состояние) и прогибу (2 предельное состояние). Для того, чтобы подобрать балку по прочности, необходимо найти требуемый момент инерции Wтр и из таблицы сортамента выбрать подходящий металлопрофиль. Вертикальный предельный прогиб fult принимается по таблице 19 из СНиП 2.01.07-85* (Нагрузки и воздействия). Пункт2.а в зависимости от пролета. Например предельный прогиб fult=L/200 при пролете L=6м. означает, что калькулятор подберет сечение прокатного профиля (двутавра, швеллера или двух швеллеров в коробку), предельный прогиб которого не будет превышать fult=6м/200=0,03м=30мм. Для подбора металлопрофиля по прогибу находят требуемый момент инерции Iтр, который получен из формулы нахождения предельного прогиба. И также из таблицы сортамента подбирают подходящий металлопрофиль.

Из двух результатов подбора (1 и 2 предельное состояние) выбирается металлопрофиль с большим номером сечения.

1. Получение сведений о материале стержня для определения предельной гибкости стержня расчетным путем или по таблице:

2. Получение сведений о геометрических размерах поперечно­го сечения, длине и способах закрепления концов для определения категории стержня в зависимости от гибкости:

где А - площадь сечения; J m i n - минимальный момент инерции (из осевых);

μ - коэффициент приведенной длины.

3. Выбор расчетных формул для определения критической силы и критического напряжения.

4. Проверка и обеспечение устойчивости.

При расчете по формуле Эйлера условие устойчивости:

F - действующая сжимающая сила; - допускаемый коэффици­ент запаса устойчивости.

При расчете по формуле Ясинского

где a, b - расчетные коэффициенты, зависящие от материала (величины ко­эффициентов приводятся в таблице 36.1)

В случае невыполнения условий устойчивости необходимо уве­личить площадь поперечного сечения.

Иногда необходимо определить запас устойчивости при задан­ном нагружении:

При проверке устойчивости сравнивают расчетный запас вынос­ливости с допускаемым:

Примеры решения задач

Решение

1. Гибкость стержня определяется по формуле

2. Определяем минимальный радиус инерции для круга.

Подставив выражения для J min и А (сечение круг)

1. Коэффициент приведения длины для данной схемы крепле­ния μ = 0,5.
2. Гибкость стержня будет равна

Пример 2. Как изменится критическая сила для стержня, ес­ли изменить способ закрепления концов? Сравнить представленные схемы (рис. 37.2)

Решение

Критическая сила увеличится в 4 раза.

Пример 3. Как изменится критическая сила при расчете на устойчивость, если стержень двутаврового сечения (рис. 37.3а, дву­тавр № 12) заменить стержнем прямоугольного сечения той же пло­щади (рис. 37.3б) ? Остальные параметры конструкции не меняются. Расчет выполнить по формуле Эйлера.

Решение

1. Определим ширину сечения прямоугольника, высота сечения равна высоте сечения двутавра. Геометрические параметры двутавра № 12 по ГОСТ 8239-89 следующие:

площадь сечения А 1 = 14,7см 2 ;

минимальный из осевых моментов инерции.

По условию площадь прямоугольного сечения равна площади сечения двутавра. Определяем ширину полосы при высоте 12 см.

2. Определим минимальный из осевых моментов инерции.

3. Критическая сила определяется по формуле Эйлера:

4. При прочих равных условиях отношение критических сил рав­но отношению минимальных моментов инерции:

5. Таким образом, устойчивость стержня с сечением двутавр № 12 в 15 раз выше, чем устойчивость стержня выбранного пря­моугольного сечения.

Пример 4. Проверить устойчивость стержня. Стержень длиной 1 м защемлен одним концом, сечение - швеллер № 16, материал - СтЗ, запас устойчивости трехкратный. Стержень нагружен сжима­ющей силой 82 кН (рис. 37.4).

Решение

1. Определяем основные геометрические пара­метры сечения стержня по ГОСТ 8240-89. Швеллер № 16: площадь сечения 18,1см 2 ; минимальный осевой момент сечения 63,3 см 4 ; мини­мальный радиус инерции сечения г т; п = 1,87см.

Предельная гибкость для материала СтЗ λ пред = 100.

Расчетная гибкость стержня при длине l = 1м = 1000мм

Рассчитываемый стержень - стержень большой гибкости, рас­чет ведем по формуле Эйлера.

4. Условие устойчивости

82кН < 105,5кН. Устойчивость стержня обеспечена.

Пример 5. На рис. 2.83 показана расчетная схема трубчатой стойки самолетной конструкции. Проверить стойку на устойчивость при [n у ] = 2,5, если она изготовлена из хромоникелевой стали, для которой Е = 2,1*10 5 и σ пц = 450 Н/мм 2 .

Решение

Для расчёта на устойчивость должна быть известна критическая сила для заданной стойки. Необходимо установить, по какой формуле следует вычислять критическую силу, т. е. надо сопоставить гибкость стойки с предельной гибкостью для её материала.

Вычисляем величину предельной гибкости, так как табличных данных о λ, пред для материала стойки не имеется:

Для определения гибкости рассчитываемой стойки вычисляем геометрические характеристики ее поперечного сечения:

Определяем гибкость стойки:

и убеждаемся, что λ < λ пред, т. е. критическую силу можно опреде­лить ею формуле Эйлера:

Вычисляем расчетный (действительный) коэффициент запаса устойчивости:

Таким образом, n у > [n у ] на 5,2%.

Пример 2.87. Проверить на прочность и устойчи­вость заданную стержневую систему (рис. 2.86), Материал стержней - сталь Ст5 (σ т = 280 Н/мм 2). Требуемые коэффи­циенты запаса: прочности [n] = 1,8; устойчивости = 2,2. Стержни имеют круглое поперечное сечение d 1 = d 2 = 20 мм, d 3 = 28 мм.

Решение

Вырезая узел, в котором сходятся стержни, и составляя уравнения равновесия для действующих на него сил (рис. 2.86)

устанавливаем, что заданная система статически неопре­делима (три неизвестных усилия и два уравнения ста­тики). Ясно, что для расчета стержней на прочность и устойчивость необходимо знать величины продольных сил, возникающих в их поперечных сечениях, т. е. нужно раскрыть статическую неопределимость.

Составляем уравнение перемещений на основе диа­граммы перемещений (рис. 2.87):

или, подставляя значения изменений длин стержней, по­лучаем

Решив это уравнение совместно с уравнениями ста­тики, найдем:

Напряжения в поперечных сечениях стержней 1 и 2 (см. рис. 2.86):

Их коэффициент запаса прочности

Для определения коэффициента запаса устойчивости стержня 3 надо вычислить критическую силу, а это тре­бует определения гибкости стержня, чтобы решить, какой формулой для нахождения N Kp следует воспользоваться.

Итак, λ 0 < λ < λ пред и крити­ческую силу следует определять по эмпирической формуле:

Коэффициент запаса устой­чивости

Таким образом, расчет пока­зывает, что коэффициент запаса устойчивости близок к требуемо­му, а коэффициент запаса проч­ности значительно выше требуемого, т. е. при увеличении нагрузки системы потеря устойчивости стержнем 3 вероят­нее, чем возникновение текучести в стержнях 1 и 2.

Расчет центральной стойки

Стойками называют элементы конструкции, работающие преимущественно на сжатие и продольный изгиб.

При расчете стойки необходимо обеспечитьее прочность и устойчивость. Обеспечение устойчивости достигается путем правильного подбора сечения стойки.

Принимается расчетная схема центральной стойки при расчете на вертикальную нагрузку, как шарнирно закрепленной по концам, так как внизу и вверху приваривается сваркой (см. рисунок 3).

Центральная стойка воспринимает 33% полного веса перекрытия.

Полный вес перекрытия N, кг определится: включающим вес снега, ветровая нагрузка, нагрузка от теплоизоляции, нагрузка от веса каркаса покрытия, нагрузка от вакуума.

N = R 2 g,. (3.9)

где g- суммарная равномерно-распределенная нагрузка, кг/м 2 ;

R - внутренний радиус резервуара, м.

Полный вес перекрытия складывается из следующих видов нагрузок:

• 1. Снеговая нагрузка, g 1 . Принимается g 1 =100 кг/м 2 .;
• 2. Нагрузка от теплоизоляции, g 2 . Принимается g 2 =45кг/м 2 ;
• 3. Ветровая нагрузка, g 3 . Принимается g 3 =40кг/м 2 ;
• 4. Нагрузка от веса каркаса покрытия, g 4 . Принимается g 4 =100 кг/м 2
• 5. С учетом установленной аппаратуры, g 5 . Принимается g 5 = 25кг/м 2
• 6. Нагрузка от вакуума, g 6 . Принимается g 6 =45кг/м 2 .

А полный вес перекрытия N, кг:

Вычисляется усилие, воспринимаемое стойкой:

Определяется требуемая площадь сечения стойки по следующей формуле:

См 2 , (3.12)

где: N- полный вес перекрытия, кг;

1600 кгс/см 2 , для стали ВСт3сп;

Коэффициент продольного изгиба конструктивно принимается =0,45.

По ГОСТ 8732-75 конструктивно выбирается труба с наружным диаметром D h =21см, внутренним диаметром d b =18 см и толщиной стенки 1,5см, что допустимо так как полость трубы будет заполнена бетоном.

Площадь сечения трубы, F:

Определяется момент инерции профиля (J), радиус инерции (r). Соответственно:

J =см4, (3.14)

где - геометрические характеристики сечения.

Радиус инерции:

r=, см, (3.15)

где J- момент инерции профиля;

F- площадь требуемого сечения.

Гибкость:

Определяется напряжение в стойке, по формуле:

Кгс/см (3.17)

При этом по таблицам приложения 17 (А. Н. Серенко) принимается = 0,34

Расчет прочности базы стойки

Расчетное давление Р на фундамент определяется:

Р= Р" + Р ст +Р бс, кг, (3.18)

Р ст =F L г, кг, (3.19)

Р бс =L г б, кг, (3.20)

где: Р"-усилие вертикальной стойки Р"= 5885,6 кг;

Р ст - весстойки, кг;

г - удельный вес стали.г =7,85*10 -3 кг/.

Р бс - весбетона залитого в стойку стойки, кг;

г б -удельный вес бетона марки.г б =2,4*10 -3 кг/.

Требуемая площадь плиты башмака при допускаемом давлении на песчаное основание [у] ф =2 кг/см 2:

Принимается плита со сторонами: аЧb =0,65Ч0,65 м.Распределенная нагрузка, q на 1 см плиты определится:

Расчетный изгибающий момент, М:

Расчетный момент сопротивления, W:

Толщина плиты д:

Принимается толщина плиты д =20 мм.

Высота стойки и длина плеча приложения силы P выбирается конструктивно, согласно чертежу. Возьмем сечение стойки как 2Ш. Исходя из соотношения h 0 /l=10 и h/b=1,5-2 выбираем сечение не больше h=450мм и b=300мм.

Рисунок 1 – Схема нагружения стойки и поперечное сечение.

Общая масса конструкции составляет:

m= 20,1+5+0,43+3+3,2+3 = 34,73 тонн

Вес приходящий на одну из 8 стоек составляет:

P = 34,73 / 8 = 4,34 тонн = 43400Н – давление на одну стойку.

Сила действует не в центре сечения, поэтому она вызывает момент, равный:

Мх = P*L; Мх = 43400 * 5000 = 217000000 (Н*мм)

Рассмотрим стойку коробчатого сечения, сваренную из двух пластин

Определение эксцентриситетов:

Если эксцентриситет т х имеет значение от 0,1 до 5 - внецентренно сжатой (растянутой) стойкой; если т от 5 до 20, то растяжение или сжатие балки необходимо учитывать в расчете.

т х =2,5 - внецентренно сжатая (растянутая) стойка.

Определение размера сечения стойки:

Основной нагрузкой для стойки является продольная сила. Поэто­му для выбора сечения используют расчет на прочность при растяже­нии (сжатии):

Из этого уравнения находят требуемую площадь поперечного сечения

,мм 2 (10)

Допускаемое напряжение [σ] при работе на выносливость зависит от марки стали, концентрации напряжений в сечении, числа циклов нагружения и асимметрии цикла. В СНиП допускаемое напряжение при работе на выносливость определяют по формуле

(11)

Расчетное сопротивление R U зависит от концентрации напряжения и от предела текучести материала. Концентрация напряжении в свар­ных соединениях чаще всего обусловлена сварными швами. Значение коэффициента концентрации зависит от формы, размеров и расположения швов. Чем выше концентрация напряжений, тем ниже допуска­емое напряжение.

Наиболее нагруженное сечение проектируемой в работе стержневой конструкции расположено вблизи места ее прикрепления к стенке. Прикрепление лобовыми угловыми швами соответствует 6-й группе, следовательно, R U = 45 МПа.

Для 6-й группы, при п = 10 -6 , α = 1,63;

Коэффициент у отражает зависимость допускаемых напряжений от показателя асимметрии цикла р, равного отношению минимального напряжения за цикл к максимальному, т. е.

-1≤ρ<1,

а также от знака напряжений. Растяжение способствует, а сжатие препятствует возникновению трещин, поэтому значение γ при одинаковых ρ зависит от знака σ мах. В случае пульсирующего нагружения, когда σ min = 0, ρ=0 при сжатии γ=2 при растяжении γ= 1,67.

При ρ→ ∞ γ→∞. При этом допускаемое напряжение [σ] становится очень большим. Это означает, что опасность усталостного разрушения уменьшается, но не означает что прочность обеспечена, так как возможно разрушение при первом нагружении. Поэтому при определении [σ]необходимо учесть условия статической прочности и устойчивости.

При статическом растяжении (без изгиба)

[σ] = R у. (12)

Значение расчетного сопротивления R у по пределу текучести опре­деляют по формуле

(13)

где γ м - коэффициент надежности по материалу.

Для 09Г2С σ Т = 325 МПа, γ т = 1,25

При статическом сжатии допускаемое напряжение снижают в свя­зи с опасностью потери устойчивости:

где 0 < φ < 1. Коэффициент φ зависит от гибкости и относительного эксцентриситета. Его точное значение может быть найдено только после определения размеров сечения. Для ориентировочного выбора Атрпо формуле следует задаться значением φ. При небольшом эксцентриситете приложения нагрузки можно принять φ = 0,6. Такой коэффициент означает, что прочность стержня при сжатии из-за по­тери устойчивости снижается до 60% от прочности при растяжении.

Подставляем данные в формулу:

Из двух значений [ σ] выбираем наименьшее. И в дальнейшем по нему будет вестись расчет.

Допускаемое напряжение

Поставляем данные в формулу:

Так как 295,8мм 2 крайне малая площадь сечения, исходя из конструктивных размеров и величины момента увеличиваем до

Номер швеллера подберем по площади.

Минимальная площадь швеллера должна составлять – 60 см 2

Номер швеллера – 40П. Имеет параметры:

h=400 мм; b=115мм; s=8мм; t=13,5мм; F=18,1 см 2 ;

Получаем площадь сечения стойки, состоящую из 2 швеллеров – 61,5 см 2 .

Подставим данные в формулу 12 и рассчитаем напряжения еще раз:

=146,7 МПа

Действующие напряжения в сечении меньше предельных напряжений для металла. Это означает, что материал конструкции выдерживает приложенную нагрузку.

Проверочный расчет общей устойчивости стоек.

Такая проверка требуется только при действии сжимающих про­дольных сил. Если силы приложены к центру сечения (Мх=Му=0),тоснижение статической прочности стойки за счет потери устойчивости оценивают коэффициентом φ, зависящим от гибкости стойки.

Гибкость стойки относительно материальной оси (т. е. оси, пересе­кающей элементы сечения) определяют по формуле:

(15)

где – длина полуволны изогнутой оси стойки,

μ – коэффициент зависящий от условия закрепления; при консоли = 2;

i min - радиус инерции, находится по формуле:

(16)

Подставляем данные в формулу 20 и 21:

Расчет устойчивости проводят по формуле:

(17)

Коэффициент φ у определяют так же как при центральном сжатии, по табл. 6 в зависимости от гибкости стойки λ у (λ уо) при изгибе вокруг оси у. Коэффициент с учитывает yуменьшение устойчивости от действия момента М х.

Поперечник здания (рис. 5) один раз статически неопределим. Неопределимость раскрываем, исходя из условия одинаковой жесткости левой и правой стоек и одинаковой величины горизонтальных перемещений шарнирного конца стоек.

Рис. 5. Расчетная схема рамы

5.1. Определение геометрических характеристик

1. Высота сечения стойки
. Примем
.

2. Ширина сечения стойки принимается по сортаменту с учетом острожки
мм .

3. Площадь сечения
.

Момент сопротивления сечении
.

Статический момент
.

Момент инерции сечения
.

Радиус инерции сечения
.

5.2. Сбор нагрузки

а) горизонтальные нагрузки

Погонные ветровые нагрузки

, (Н/м)

,

где - коэффициент, учитывающий значение ветрового давления по высоте (приложение табл. 8);

- аэродинамические коэффициенты (при
м принять
;
);

- коэффициент надежности по нагрузке;

- нормативное значение ветрового давления (по заданию).

Сосредоточенные силы от ветровой нагрузки на уровне верха стойки:

,
,

где - опорная часть фермы.

б) вертикальные нагрузки

Нагрузки соберем в табличной форме.

Таблица 5

Сбор нагрузки на стойку, Н

Примечание:

1. Нагрузка от панели покрытия определяется по таблице 1

,
.

2. Нагрузки от балки определяется

.

3. Собственный вес арки
определяется:

Верхний пояс
;

Нижний пояс
;

Стойки.

Для получения расчетной нагрузки элементы арки умножаются на , соответствующие металлу или дереву.

,
,
.

Неизвестная
:
.

Изгибающий момент в основании стойки
.

Поперечная сила
.

5.3. Проверочный расчет

В плоскости изгиба

1. Проверка по нормальным напряжениям

,

где - коэффициент, учитывающий дополнительный момент от продольной силы.

;
,

где - коэффициент закрепления (принять 2,2);
.

Недонапряжение не должно превышать 20%. Однако, если приняты минимальные размеры стойки и
, то недонапряжение может превышать 20%.

2. Проверка опорной части на скалывание при изгибе

.

3. Проверка устойчивости плоской формы деформирования:

,

где
;
(табл. 2 прил. 4 ).

Из плоскости изгиба

4. Проверка на устойчивость

,

где
, если
,
;

- расстояние между связями по длине стойки. При отсутствии связей между стойками за расчетную длину принимается полная длина стойки
.

5.4. Расчет прикрепления стойки к фундаменту

Выпишем нагрузки
и
из таблицы 5. Конструкция прикрепления стойки к фундаменту приведена на рис. 6.

где
.

Рис. 6. Конструкция прикрепления стойки к фундаменту

2. Напряжения сжатия
, (Па)

где
.

3. Размеры сжатой и растянутой зон
.

4. Размеры и:

;
.

5. Максимальное усилие растяжения в анкерах

, (Н)

6. Требуемая площадь анкерных болтов

,

где
- коэффициент, учитывающий ослабление резьбой;

- коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений в резьбе;

- коэффициент, учитывающий неравномерность работы двух анкеров .

7. Требуемый диаметр анкера
.

Принимаем диаметр по сортаменту (приложение табл. 9).

8. Для принятого диаметра анкера потребуется отверстие в траверсе
мм.

9. Ширина траверсы (уголка) рис. 4 должна быть не менее
, т.е.
.

Примем равнобокий уголок по сортаменту (приложение табл. 10).

11. Величина распределительной нагрузки на участке ширины стойки (рис. 7 б).

.

12. Изгибающий момент
,

где
.

13. Требуемый момент сопротивления
,

где - расчетное сопротивление стали принято 240 МПа.

14. Для предварительно принятого уголка
.

Если это условие выполняется переходим к проверке напряжения, если нет – возвращается к пункту 10 и принимаем больший уголок.

15. Нормальные напряжения
,

где
- коэффициент условий работы.

16. Прогиб траверсы
,

где
Па – модуль упругости стали;

- предельный прогиб (принять ).

17. Выберем диаметр горизонтальных болтов из условия их расстановки поперек волокон в два ряда по ширине стойки
, где
- расстояния по между осями болтов. Если принимаем болты металлические, то
,
.

Примем диаметр горизонтальных болтов по приложению табл. 10.

18. Наименьшая несущая способность болта:

а) по условию смятия крайнего элемента
.

б) по условию изгиба
,

где
- приложение табл. 11.

19. Количество горизонтальных болтов
,

где
- наименьшая несущая способность из п. 18;
- количество срезов.

Примем число болтов четное число, т.к. их расставляем в два ряда.

20. Длина накладки
,

где - расстояние между осями болтов вдоль волокон. Если болты металлические
;

- число расстояний по длине накладки.