Расчет и проектирование сварных конструкций

Курсовая работа

Стальная двутавровая сварная балка представляет собой сварную конструкцию из стальных листов, по форме и размерам схожую с размером и механическими па

раметрами аналогичными горячекатаной балки по СТО АСЧМ 20-93 и ГОСТ 26020-83 типа Б, Ш, К.

Подкрановые балки разработаны для зданий и открытых крановых эстакад со стальными и железобетонными колоннами, с проходами и без проходов вдоль крановых путей, возводимых во всех климатических районах (расчетная температура наружного воздуха минус 65 0 С и выше), в несейсмических и сейсмических – до 9 баллов включительно – районах.

Применение балок допускается при воздействии неагрессивной, слабо-, среднеагрессивной среды, а для балок, выполняемых из углеродистой стали и сильноагрессивной среды [1].

Рисунок 1 — Схемы и основные размеры балок:

1 — верхний пояс; 2 — нижний пояс; 3 — стенка балки; 4 — ребра жесткости; 5 — опорные ребра.

Балки должны изготовляться в соответствии с требованиями ГОСТ 23121-78, ГОСТ 23118-78 и СНиП III-18-75 по рабочим чертежам КМД, утвержденным в установленном порядке [1,2,3].

Шероховатость механически обработанной торцевой поверхности опорного ребра не должна быть грубее первого класса по ГОСТ 2789-73. Кромки поясов подкрановых балок после машинной кислородной резки не должны иметь неровностей, превышающих 0,3 мм.

Детали балок, в зависимости от расчетной температуры, должны изготовляться из сталей классов, приведенных в таблице 1.

Материалы для сварки должны приниматься в соответствии со СНиП II-В.3-72.

Таблица 1 – Марки стали для производства балок

Наименование детали

Сортамент

Класс стали для зданий, воводимых при расчетной температуре

минус 40°С и выше

ниже минус

Вариант 1. Из стали одного класса

Вариант 2. Из стали двух классов

40°С до минус 65°С

Пояс

ГОСТ 82-70

С38/23

или

С 46/33

(С 44/29)

С 46/33

Стенка

ГОСТ 19903-74

С 46/33

С 38/23

(С 44/29)

Опорное ребро

(С 44/29)

С 46/33

(С 44/29)

Ребро жесткости

ГОСТ 103-76,

ГОСТ 19903-74

С 38/23

Поясные швы должны выполняться автоматической сваркой с плавным переходом швов к основному металлу.

При выполнении сварных швов, соединяющих верхний пояс со стенкой, должен обеспечиваться полный провар стенки на всю ее толщину.

Все сварные швы должны быть непрерывными.

Заводские стыки листов поясов и стенок балок должны выполняться встык без накладок с применением двухсторонней сварки. Односторонняя сварка допускается при условии подварки корня шва.

Поверхность стыковых швов листов поясов должна быть зачищена заподлицо с основным металлом. Допускается зачистка швов только в местах установки кранового рельса и соединений листов со стенкой.

При выполнении стыковых сварных швов должен обеспечиваться полный провар. Расчетное сопротивление наплавленного металла должно быть равно расчетному сопротивлению основного металла.

Балки должны быть огрунтованы и окрашены. Грунтовка и окраска должны соответствовать пятому классу покрытия по ГОСТ 9.032-74 [1].

1.2 Заготовки и материалы для изготовления конструкции

Подкрановые балки для среднего ряда колонн должны поставляться блоками.

Блок должен состоять из двух балок, соединенных по верхнему поясу тормозным устройством, и установленными между двумя балками вертикальными связями для обеспечения неизменяемости на время транспортирования блока.

Подкрановые балки должны изготовляться из марок сталей, указанных в таблице 1.

Материалы для сварки следует принимать согласно СНиП II – 23 -81 «Стальные конструкции».

Болты следует применять по ГОСТ 15589-70 (допускается по ГОСТ 15591-70, ГОСТ 7798-70, ГОСТ 7796-70) и назначать по СНиП II – 23 -81 «Стальные конструкции» применительно к конструкциям, не рассчитываемым на выносливость. Гайки следует применять по ГОСТ 5915-70 [1,2,3].

Для изготовления балки выбираем сталь конструкционную низколегированную для сварных конструкций марки 14Г2АФ.

Химический состав в % материала 14Г2АФ по ГОСТ 19281 — 89 :

  • C 0.12 — 0.18;
  • Si 0.3 — 0.6;
  • Mn 1.2 — 1.6;
  • Ni до 0.3 ;
  • S до 0.04;
  • P до 0.035;
  • Cr до 0.4;
  • V 0.07 — 0.12;
  • N 0.015 — 0.025;
  • Cu до 0.3;
  • As до 0.08.

Свариваемость: без ограничений.

Механические свойства при Т=20 o С материала 14Г2АФ:

S в = 550 МПа; sT = 400 МПа; d5 = 20%.

Сварочный материал: электроды марки Э-42А УОНИ 13/45; ТУ 14-4 1855-2001 ГОСТ 9467-75 ГОСТ 9466-75; вид покрытия — Основный Б; временное сопротивление разрыву — 410 Н/мм 2 , угол загиба сварного соединения >180°; род тока 2; 2,5; 3; 4; 5; 6, постоянный обратной полярности; пространственные положения сварки — любое, кроме вертикального сверху вниз.

  1. Практическая часть

2.1. Конструкция сварного изделия и его узлы

Конструкция подкрановой балки и конструкция отдельных ее узлов показаны на рисунках 2, 3, 4.

Рисунок 2 — Общий вид подкрановой рядовой балки

Рисунок 3 — Общий вид подкрановой концевой балки

Рисунок 4 — Основные узлы балки

  1. Указания по назначению катетов сварных швов, кроме оговоренных, приведены в пояснительной записке.
  2. Опорные ребра с вырезом применяются при значениях ветровых, тормозных и сейсмических нагрузок, передающихся через балки на связи по колоннам [2].

2.2. Расчет сварных швов на прочность

Основным критерием работоспособности швов сварных соединений является прочность. Расчет на прочность основан на допущении, что напряжения в шве распределяются равномерно как по длине, так и по сечению.

Рассчитаем сварное соединение двутавровой балки с колонной при следующих данных: F = 8 кН, L = 6,0 м.

Рисунок 5 – Схема для расчета сварного соединения двутавровой балки с колонной

1.Определяем сечение двутавровой балки по условию её прочности:

  • где Ми – изгибающий момент, действующий на балку от силы F в месте её заделки;
  • W – осевой момент сопротивления площади поперечного сечения балки.

Ми = FL = 8000·6000 = 48 ∙10 6 Н·мм

Примем, что балка изготовлена из стали Ст.3 (σ т =220 МПа).

Тогда

[σ] = σт /s,

где s – коэффициент запаса прочности, s = 1,4 [1].

[σ] = 220/1,4 = 157 МПа.

Учитывая только основную нагрузку, действующую на балку от момента Ми, получаем:

мм 3

Выбираем двутавр (с учётом действия силы F) № 16.

Для него имеем:

h=160 мм, в=81 мм, d=5 мм, t=7.8 мм, Wx=109х10 3 мм3 , Jх=873·104 мм4 (рисунок 6).

Рисунок 6 – Схема двутавра для подкрановой балки

Проверим прочность балки при суммарной (полной) нагрузке:

А – площадь поперечного сечения балки.

А = 2bt + (h – 2t)d = 2·81·7,8 + (160 – 2·7,8)·5 = 1985,6 мм 2 .

и

Прочность балки обеспечена.

Задаёмся размерами сварного шва и проверяем его на прочность

Длина сварного углового шва определяется размерами периметра двутавровой балки, а катет шва примем – к = d = 5 мм.

Условие прочности сварного шва:

где τ F — напряжения в шве от силы F и направлено оно по вертикальной оси; τМ — напряжение от момента М. Оно изменяется по линейному закону (как напряжения изгиба) и направлено по горизонтальной оси; [τ’] – допускаемое напряжение для сварного шва,

[τ’] = 0.6[σ р ] = 0.6·157 = 94 МПа.

где А 1 и W1 – площадь поперечного сечения сварного шва и её осевой момент сопротивления.

А 1 = 4·0.7кt + 2·0.7кb + 2·0.7к(h – 2t) + 2·0.7к(b-d) = = 4·0,7·5·7,8 + 2·0,7·5·81 + 2·0,7·5 (160 -2·7,8) + 2·0,7·5(81 – 5) = 2219 мм2 .

где J 1момент инерции площади поперечного сечения сварного шва относительно оси х-х (рис. 6).

Контур сварного шва изображён на рисунке 7 и катет шва по всему контуру равен к = 5 мм.

J1 = Jн – Jб ,

где J н — момент инерции площади поперечного сечения по наружному контуру шва,

J б — момент инерции площади поперечного сечения балки (по внутреннему контуру шва) и равен Jб = Jх = 873·104 мм4 .

Рисунок 7 – Контур сварного шва.

Таким образом, прочность сварного шва не обеспечена.

Возьмём следующий размер двутавра №18.

Для него имеем:

h = 180 мм, b = 90 мм, d = 5.1 мм, t = 8.1 мм, J x = 1290х104 мм4 , Wx = 143×103 мм3 .