Проектирование сварных подкрановых балок

метки: Подкрановый, Напряжение, Ребро, Балка, Соответствие, Предел, Касательный, Реакция

— 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.

1. Выбор материала подкрановой балки

Выбор материала подкрановой балки производится в зависимости от расчетной температуры эксплуатации и в соответствии с указаниями СНиП по применению сталей для стальных конструкций.

Для изготовления двутавровой балки выбираем сталь 09Г2С по ГОСТ 19282-73. Сталь 09Г2С конструкционная низколегированная для сварных конструкций.

Таблица 1. Химический состав стали 09Г2С по ГОСТ 19282-73

Марка

С%

Si%

Mn%

Ni%

S%

P%

Cr%

N%

Cu%

As%

Fe%

09Г2С

До 0,12

0,5-0,8

1,3-1,7

До 0,3

До 0,04

До 0,035

До 0,3

До 0,008

До 0,3

До 0,08

? 96-97

Таблица 2. Механические свойства стали 09Г2С по ГОСТ 19282-73

Марка	Толщина проката, мм	Расчетн. сопр. при растяжении, МПа	Предел текучести, МПа	Предел прочности, МПа
09Г2С	21-32	290	305	460

2. Определение расчетных нагрузок и построение линий влияния реакций опор, изгибающих моментов и поперечных сил

Так как на балке имеется подвижный груз, то для определения расчетных нагрузок производится построение линий влияния реакций опор, изгибающих моментов и поперечных сил в характерных сечениях балки.

Линии влияния реакций опор изгибающих моментов

Линии влияния реакций опор поперечных сил

Определяем опорные реакции:

кН.

Характ. сечения	Изгибающий момент	Поперечная сила
	Уmax	Мр = = PУyi, кН•мм	Mq= = qw кН•мм	кН	Уmax	Qр = = PУyi кН	Qq= = qw, кН	Q= Q, кН
0		0	0	0	1	92	120	212
0,1l	-1,08	-97	-130	-227	0,9	91	96	187
0,2l	-1,92	-172	-230	-402	0,8	90	72	162
0,3l	-2,52	-222	-302	-524	0,7	88	48	136
0,4l	-2,88	-248	-346	-594	0,6	86	24	110
0,5l	-3	-250	-360	-610	0,5	83	0	83

3. Определение размеров поперечного сечения балки

Подбор сечения балки производится из условия ее прочности при работе на поперечный изгиб по максимальному моменту M и максимальной поперечной нагрузке Q в зависимости от допускаемого напряжения [уp] или расчетного сопротивления R. Однако вначале выбирается высота сечения балки h.

Высота сечения балки определяется из двух условий:

• жесткости; hж
• экономичности, т.е.

из условия наименьшей затраты материала при обеспечении прочности. hэ

Находим максимальный изгибающий момент в середине балки:

Высота балки из условия жесткости определяется по формуле:

Величины можно определить из системы уравнений:

Основное допускаемое напряжение для материала балки:

• Кн — коэффициент перегрузки (согласно СНиП, для подкрановых балок Кн=1,15);

Отсюда высота из условия жесткости равна:

Принимаем толщину стенки =6 мм

Высота двутавровой балки из условия экономичности определяется по формуле:

Принимаем высоту балки h=1350 мм.

мм;

Принимаем высоту стенки 1338 мм., Принимаем толщину полки =6 мм.

Требуемый момент инерции сечения балки, определяется по формуле:

Момент инерции стенки балки относительно центральной оси:

Момент инерции полок балки относительно центральной оси:

Размеры сечения пояса выбираются по требуемому моменту сопротивления сечения , в соответствии с выражением:

Ширина полки:

;

• Принимаем bn=130 мм.

Момент инерции:

Максимальный прогиб в середине балки:

4 . Проверка напряжений в подобранном сечении

Нормальное напряжение в точке 1:

Нормальное напряжение в точке 2:

Касательное напряжение в точке 1.

Касательное напряжение в точке 2:

• Sn-статический момент площади сечения;

Касательное напряжение в точке 3:

Эквивалентное напряжение в сечении балки:

Условия выполняются следовательно сечения считается подобранным верно.

5. Проверка общей устойчивости балки

Расчет общей устойчивости балки производится в следующей последовательности.

Определяется коэффициент уменьшения допускаемых напряжений в балках с учетом обеспечения их устойчивости — , по формуле:

• где x J и y J — моменты инерции относительно осей X и Y;
• h — высота балки;
• пролет балки или расстояние между связями, препятствующими

перемещениям в горизонтальной плоскости, принимаем 6 м.;

Ш — коэффициент, определяемый по графику, в зависимости от

б, определяемого по формуле:

Момент инерции относительно оси Х:

Момент инерции относительно оси У:

По графику находим Ш=1,74 умножаем на отношение 210/R, где R — расчетное сопротивление стали.

Напряжения в изгибаемой балке проверяют с учетом требований обеспечения общей устойчивости, в соответствии с формулой:

• МПа;

6. Проверка местной устойчивости элементов балки

Местная устойчивость сжатых поясов балок обеспечивается следующим условием:

Устойчивость вертикального листа стенки, в балках из низкоуглеродистой стали, при наличии на ней сосредоточенных перемещающихся нагрузок, обеспечивается соблюдением следующего условия:

где — предел текучести материала балки, МПа,

Если последнее условие не выполняется, то необходима установка вертикальных ребер жесткости.

Ширину ребра, выраженную в миллиметрах, принимают равной:

а толщину:

Критерием для определения расстояния а, между вертикальными ребрами жесткости, является безразмерный параметр D. Для подкрановых балок данный параметр определяется по формуле:

где -напряжение под сосредоточенной силой на верхней кромки стенки, определяющееся по формуле:

z — расчетная длина распределения сосредоточенного груза в вертикальном листе:

• нормальные напряжения на верхней кромке вертикального листа в месте контакта полки и стенки балки, определяется из выражения:
• среднее касательное напряжение в стенке, определяющееся по формуле:
• условная (критическая) величина нормального напряжения на врхней кромке вертикального листа:
• МПа;
• условные (критические) нормальные местные напряжения под сосредоточенной силой, от силы Р, на верхней кромке вертикального листа (стенки), определяются по формуле:

К1-коэффициент определяемый по графику.

Условные (критические) касательные напряжения на вертикальной стенки балки определяются по формуле:

Горизонтальные ребра жесткости устанавливаются в том случае, если условная гибкость стенки Ку больше критической:

Так как условная гибкость стенки больше критической, то в данном случае необходима установка горизонтальных ребер жесткости.

Ребра устанавливаются в сжатой зоне стенки на расстоянии С=0,2*h=0,27 м от верхней поверхности пояса. Размеры сечения ребра выбираются так же, как для вертикальных ребер:

Торцевые поверхности опорных ребер проверяют на смятие. Проверка проводится в соответствии с выражением:

а толщину:

Торцевые поверхности опорных ребер проверяют на смятие, условно считая, что через ребра передается половина опорной реакции. Проверка проводится в соответствии с выражением.

• допускаемое напряжение при смятии, определяется по формуле:

7 . Конструирование и расчет соединений балки

Стыковые швы рассчитываются на поперечный изгиб

;

• где Jх — момент инерции сечения балки в месте расположения сварного шва;
• Mх и Q — изгибающий момент и поперечная нагрузка в этом сечении;
• y — координата сечения, в которой определяются напряжения;
• толщина в месте отсечения;

Катет поясных швов балки выбирается наибольшим из двух, получнных по металлу шва в зоне сплавления:

• где Кш, Ксп — катет поясного шва, рассчитанный по металлу шва и зоне сплавления соответственно;
• коэффициенты расчетной толщины шва;
• расчетные сопротивления;
• Q — максимальная поперечная нагрузка в сечениях балки;
• P — величина сосредоточенной нагрузки;
• n — коэффициент, принимается равным;

z — условная длина распределения давления сосредоточенного груза, определяемая по формуле:

Расчетные сопротивления:

Катеты поясных швов:

Швы приваривающие ребра жесткости, как правило, расчетом на прочность не проверяются. Они выполняются угловыми, с катетом К=(0,3-0,6)

8. Конструирование и расчет опорных плит балок

Опорные части балок служат для передачи опорной нагрузки на фундамент. Чтобы обеспечить шарнирность опирания, они конструируются в форме выпуклых плит.

Основные размеры выпуклой плиты назначаются в следующих пределах:

• r=1 м;

Принимаем

где Мпл-изгибающий момент по оси плиты, определяемый по формуле

Принимаем

Каждая опора снабжена двумя штырями

Размер прорези определяется по следующей формуле:

Принимаем С=20 мм.

где — усредненные напряжения в поясе балки на участке между опорами, определяющиеся по формуле

l — длина балки между опорами;

б — коэффициент линейного расширения для материала балки ()

ДT — максимальное изменение температуры, при которой эксплуатируется балка (нижний предел задан проектом, а верхний равен +25 ?С); =10 мм — добавка к длине овального отверстия.