Расчет нагрузки на сварной шов. Стыки прокатных балок

Стыки балок

Различают два типа стыков балок: заводские и монтажные (укрупнительные).

Заводские стыки представляют собой соединения отдельных частей какого-либо элемента балки (стенки, пояса), выполняемые из-за недостаточной длины имеющегося проката. Их расположение обусловлено длиной проката или конструктивными соображениями (стык стенки не должен совпадать с местом примыкания вспомогательных балок, с ребрами жесткости и т.п.). Чтобы ослабление сечения балки заводским стыком было не слишком велико, стыки отдельных элементов обычно располагают в разных местах по длине балки, т. е. вразбежку.

Монтажные стыки выполняются при монтаже, они необходимы тогда, когда масса или размеры балки не позволяют перевезти и смонтировать ее целиком. Расположение их должно предусматривать членение балки на отдельные отправочные элементы, по возможности одинаковые (в разрезной балке стык располагают в середине пролета или симметрично относительно середины балки), удовлетворяющие требованиям транспортирования и монтажа наиболее распространенными средствами.

В монтажных стыках удобно все элементы балки соединять в одном сечении. Такой стык называется универсальным.

Стыки прокатных балок (заводские и монтажные) выполняют, как правило, сварными. Возможные конструктивные решения их показаны на рис. 7.24.

Наиболее просто и удобно непосредственное соединение балок встык (рис. 7.24, а). Чтобы уменьшить усадочные сварочные напряжения, необходимо варить стык быстрее; чтобы охлаждение шло более равномерно, следует начинать варить с менее жесткого элемента- стенки. Однако при ручной сварке такого стыка с применением обычных способов контроля сварки растянутый пояс балки в стыке будет иметь меньшую прочность, чем вне стыка, так как расчетное сопротивление сварного шва встык на растяжение меньше расчетного сопротивления основного металла

При необходимости устройства стыка в сечении, где действует боль-Й изгибающий момент, делают прямое соединение балок встык, а усиливают накладками (рис. 7.24,б). Изгибающий момент в таком стыке воспринимается швами и накладками. Расчет момента производится по формуле

M=WRсв+Nн hн

где W - момент сопротивления сечения балки; N н - усилие в накладке; hн - расстояние между осями накладок.

Отсюда определяем расчетное усилие в накладке

Nн=(M-WRсв)/hн

затем площадь поперечного сечения накладки

А н =Nн/Rсв

Угловые швы, прикрепляющие накладку к балке, должны быть рассчитаны на усилие в накладке. Чтобы уменьшить сварочные напряжения, эти швы не доводят до оси стыка на 25 мм с каждой стороны.

При изготовлении конструкций в полевых мастерских, когда трудно обработать торцы балок под сварку, можно осуществить стык только с помощью накладок (см. рис. 7.24, в). Однако из-за большой концентрации напряжений в таком стыке применять его можно в конструкциях, работающих только на статическую нагрузку и при положительных температурах.

Почти весь изгибающий момент в этом стыке передается через поясные накладки, а поперечная сила - через парные накладки на стенке. Учитывая это, производят расчет усилия и площади поперечного сечения в накладке по формулам

Nн=M/hн и А н =Nн/R

Накладки на стенку конструктивно принимают шириной 100 - 150 мм, толщиной, приблизительно равной толщине стенки, и высотой, равной высоте прямолинейного участка стенки (до закруглений около полок).

24. Расчет и конструирование стыков балок. Различают два типа стыков балок: заводские и монтажные (укрупнительные).Заводские стыки представляют собой соединения от-дельных частей какого-либо элемента балки (стенки, пояса), выполняемые из-за недо-статочной длины имеющегося проката. Их расположение обусловлено длиной проката или конструктивными соображениями (стык стенки не должен совпадать с местом примыкания вспомогательных балок, с реб-рами жесткости и т.п.). Чтобы ослабление сечения балки заводским стыком было не слишком велико, стыки отдельных элементов обычно располагают в разных местах по длине балки, т. е. вразбежку. Монтажные стыки выпол-няются при монтаже, они необходимы тог-да, когда масса или размеры балки не позволяют перевезти и смонти-ровать ее целиком. Расположение их должно предусматривать членение балки на отдельные отправочные элементы, по возможности одинаковые (в разрезной балке стык располагают в середине пролета или симмет-рично относительно середины балки), удовлетворяющие требованиям транспортирования и монтажа наиболее распространенными средст-вами.В монтажных стыках удобно все элементы балки соединять в одном сечении. Такой стык называется универ-сальным. Стыки прокатных балок (заводские и монтажные) выполняют, как правило, сварными. Наиболее просто и удобно непосредственное соединение балок встык (рис. 7.24, а).

Рис. 7.24 а-соединение встык.

Чтобы уменьшить усадочные сварочные напряжения, не-обходимо варить стык быстрее; чтобы охлаждение шло более равномер-но, следует начинать варить с менее жесткого элемента - стенки. Одна-ко при ручной сварке такого стыка с применением обычных способов кон-троля сварки растянутый пояс балки в стыке будет иметь меньшую прочность, чем вне стыка, так как расчетное со-противление сварного шва встык на рас-тяжение меньше расчетного сопроти-вления основного металла

При необходимости устройства стыка в сечении, где действует боль-ший изги-бающий момент, делают прямое сое-динение балок встык, а полки усиливают накладками (рис. 7.24,б).

Рис. 7.24 б-соединение встык с накладками.

Изгибающий момент в таком стыке воспринимается швами и накладками. Расчет момента про-изводится по формуле

где W - момент сопротивления сечения балки; Nн - усилие в на-кладке; hн - рас-стояние между осями накладок. Отсюда определяем расчет-ное усилие в накладке

Nн=(М-WRсв)/ hн

затем площадь поперечного сечения накладки

AH = N/Rcв

Угловые швы, прикрепляющие накладку к балке, должны быть рас-считаны на усилие в накладке. Чтобы уменьшить сварочные напряже-ния, эти швы не доводят до оси стыка на 25 мм с каждой стороны. При изготовлении конструкций в полевых мастерских, когда трудно обработать торцы балок под сварку, можно осуществить стык только с по-мощью накладок (см. рис. 7.24, в).

Однако из-за большой концентра-ции напряжений в таком стыке применять его можно в конструкциях, работающих только на статическую нагрузку и при положительных температурах.Почти весь изгибающий момент в этом стыке передается через по-ясные накладки, а поперечная сила - через парные накладки на стен-ке. Учитывая это, производят расчет усилия и площади поперечного се-чения в накладке по формулам

NН = M/hH и AH=NH/R.

Накладки на стенку конструктивно принимают шириной 100-150 мм, тол-щиной, приблизительно равной толщине стенки, и высотой, равной высоте пря-молинейного участка стенки (до за-круглений около полок).Угловые швы, прикрепляющие накладки к стенке, сле-дует проверять на действие поперечной силы

Стыки составных сварных балок. Заво-дские стыки поясов и стенки составных сварных балок осуществляют соеди-нением листов до сборки их в балку (рис. 7.25, а).

Рис. 7.25 а-заводской стык

Основным типом сварных соединений листов является соединение встык. Стык растянутого пояса, если он распо-ло-жен в зоне балки, где напряжения в поясе превышают расчетное сопро-тивление сварного шва на растяжение, устраивают косым или сварива-ют авто-матической сваркой, выводя начало и конец шва на технологи-ческие планки. Такое усложнение производства часто делает более целесообразным перенос прямого заводского стыкового шва в то место балки, где напряжения в поясе не превышают расчетного сопротивле-ния сварного шва на растяжение. Заводские стыки сжатого пояса и стенки балки всегда делают прямыми.

На монтаже сжатый пояс и стенку всегда соединяют прямым швом встык, а растянутый пояс -косым швом под углом 60 °, так как при монтаже авто-матическая сварка и повышенные спо-собы контроля за-труднены. Такой стык будет равнопрочен основному сечению балки и может не рассчитываться. Не-которым перенапряжением стенки вблизи растянутого пояса балки обы-чно пренебрегают, так как этот участок стенки расположен между двумя упруго работающими зонами балки, работает в условиях стесненной деформации и пластическое его разру-шение невоз-можно. Применявшееся раньше усиле-ние этого участка на-кладками, как по-казали исследования, приводит лишь к дополнитель-ным сварочным напря-жениям и не увеличивает несущей способности балки.Чтобы уменьшить сварочные напряжения, сначала сва-ривают попе-речные стыковые швы стенки / (см. рис. 7.25,б) и поясов 2, имеющие наибольшую поперечную усадку. Оставленные не заваренными на заво-де участки поясных швов дли-ной около 500 мм дают возможность пояс-ным листам несколько вытянуться при усадке швов 2. Последним зава-ривают угловые швы 3, имеющие не-большую продольную усадку.

Рис. 7.25 б-монтажный стык

Стыки составных балок на высокопрочных болтах В последнее вре-мя монтажные стыки сварных балок, чтобы избежать сварки при мон-таже, иногда выполняют на высокопрочных болтах (рис. 7.26).

В таких стыках каждый пояс балки жела-тельно перекрывать тремя накладками с двух сторон, а стенку - двумя верти-кальными накладками, площадь сече-ния которых должна быть не меньше площади сечения перекрывае-мого ими элемента. Ослабление сечения поясов балки учитывается при статических на-грузках, если площадь сечения нетто составляет меньше 85 % площади брутто АНТ<0,85А; тогда принимается условная площадь сечения Аусл=1,18АНТ; при динамических нагрузках Ант прини-мается независимо от величины осла-бления. Болты в стыке ставят на минимальных расстояниях друг от друга: (2,5-3) d болта (при d=24 мм удобно иметь шаг 80 мм), чтобы умень-шить размеры и массу стыковых накладок.Расчет каждого элемента балки ведут раздельно, а изгибающий мо-мент распределяют между поясами и стенкой пропорционально их жест-кости. Тогда расчетное усилие в поясе может быть определено по фор-мулам

где М и / - соответственно полный расчетный изгибающий момент и мо-мент инер-ции всего сечения в месте стыка балки; /п - момент инерции поя-сов балки; hо= hc т+tП - расчетная высота поясов.Количество болтов для прикрепления стыковых накладок к поясу балки

где QВБ - расчетное сдвигающее усилие, могущее быть воспринятым одним высоко-прочным болтом Это количество болтов ставят по каждую сторону от центра стыка. Мо-мент, приходящийся на стенку, может быть найден по формуле

Где /ст - момент инерции стенки балки.

Этот момент уравновешивается сум-мой внутренних пар усилий, дейст-
вующих на болты, расположенные на стыковой полунакладке симмет-рично относительно нейтральной оси балки (см. рис. 7.26):

где m - число вертикальных рядов болтов на полунакладке.Выражая все усилия Ni через максимальное усилие N1:

N2=N1a2/a1 N3=N1a3/a1

Отсюда максимальное горизонтальное усилие от изгибающего момента, дей-ствующее на каждый крайний наи-более нагруженный болт, будет

Для упрощения расчета выражаем сумму и количество болтов в вертикальном ряду стыка -k:

Кроме изгибающего балку момента в стыке может действовать по-перечная сила Q, которая условно полностью передается на стенку и принимается распределенной равномерно на все болты, расположенные на полунакладке:

где n - число болтов на полунакладке.

Тогда на наиболее напряженные крайние болты будет действовать рав-нодействующая усилий от мо-мента и поперечной силы, и они будут оп-ределять прочность стыка стенки.

Стыки прокатных балок могут осуществляться при помощи сварки и клепки. Простейшей конструкцией сварного стыка является прямой стык.

Однако вследствие того, что для сварных швов установлены более низкие расчетные сопротивления растяжению, чем для основного металла (при обычных способах контроля за качеством шва), такой стык может быть расположен по длине балки только там, где напряжения в балке не превышают значений, допустимых для сварного шва, т. е. там, где момент не превышает значения

Если необходимо устроить сварной стык в середине балки, т. е. в месте максимального момента М макс, его усиляют горизонтальными накладками. Размеры накладок определяют из условия, чтобы напряжение в сварных швах, заваренных встык, не превысило расчетного сопротивления R св р, что дает нам значение площади сечения накладок

Здесь h — высота балки;

W — момент сопротивления целого сечения прокатного двутавра.

Приварка накладок производится фланговыми (или фланговыми и лобовыми) швами на усилие

Следует обращать внимание на необходимую последовательность сварки стыка, имеющую существенное значение для его . Так, например, при сварке двутавра сначала должна быть сварена его стенка, а затем полки. В противном случае в стенке возникают большие внутренние растягивающие напряжения, приводящие часто к появлению трещин.

Можно также устроить более простой в изготовлении стык при помощи накладок без сварки двутавра встык. В этом случае накладки должны передать действующие в стыке момент М и поперечную силу Q.

Как известно, изгибающий момент воспринимается главным образом полками двутавра (смотрите эпюру равнодействующих внутренних сил N i , на фигуре). В запас прочности можно считать, что полки двутавра воспринимают весь расчетный момент; тогда усилие в полках будет равно

где h — высота двутавра.

Площадь накладок определится из уравнения

Однако, кроме момента в стыке, еще необходимо передать поперечную силу Q, иначе получится деформация, показанная на фигуре. Для восприятия поперечной силы к стенке с двух сторон привариваются накладки. Сварные швы, которыми привариваются накладки, в этом случае рассчитываются на срез от поперечной силы

Этот тип стыка благодаря наличию зазора, создающего концентрацию напряжений, можно применять только при действии статической нагрузки.

«Проектирование стальных конструкций»,
К.К.Муханов

При опирании балок непосредственно на каменные стены или бетонные конструкции необходимо обеспечить достаточную опорную поверхность для передачи опорного давления. Обычно к балке приваривается опорная плита. Размеры плиты принимаются такими, чтобы давление под плитой не превосходило расчетного сопротивления материала стены. Опорные узлы балок Толщина опорной плиты определяется из условия ее изгиба силами отпора, действующими снизу на…

9. РАСЧЕТ УКРУПИТЕЛЬНОГО СТЫКА БАЛКИ

Исходные данные:

Размеры пояса bf x tf = 500 x 20 мм, размеры стенки hw x tw = 1700 x 13 мм;

Ix= 1954198,7 см4; Iw = 1,3*1703/12 = 532241,7 см4- момент инерции стенки;

В середине пролета балки Mx = Mmax = 4477,5 кН×м, Qx = 0.

9.1 Расчетные характеристики материала и коэффициенты

Стык выполняем на высокопрочных болтах диаметром 20 мм из стали 40Х «селект», с Rbun = 1100 МПа (табл.61* ). Очистка поверхности газопламенная, при которой коэффициент трения μ=0,42, коэффициент надежности γh = 1,12 (табл. 36* ).

9.2 Расчет стыка поясов

Определяем распределение момента между поясами и стенкой

Mf = Mx – Mw = 4477,5 – 1219,48 = 3258,02 кН×м

Усилия в поясных накладках равны

Требуемая площадь накладок на пояс нетто равна

Принимаем двусторонние накладки с наружной стороны 500х12 мм, с внутренней стороны пояса две накладки 210х12 мм.

Предполагая в каждом ряду по 4 болта, найдем площадь накладок с учетом ослабления, диаметр отверстия под болты d = 20 мм – d0 = 23 мм.

> = 78,92 см2

Площадь пояса с учетом ослабления отверстиями

Суммарная площадь сечения накладок нетто больше, чем сечение пояса, поэтому проверку на прочность выполняем только послабленному сечению пояса. Поскольку A f,n = 81,6 см2 < 0,85Af = 0,85*100 = 85 см2, то проверка производится по условной площади A f,c = 1,18*A f,n = 1,18*81,6 = 96,29 см2 (см. п. 11.14 ).

Проверка прочности выполняется.

Расстояние между центрами болтов вдоль усилия должно быть не менее e+1,5d0 (e – расстояние между рядами поперек усилия). По табл. 39 е = 2,5 d0 , отсюда минимальное расстояние между болтами равно 4 d0 = 4*23 = 92 мм. Принимаем шаг 100 мм.

Расчетное усилие, которое может быть воспринято одним высокопрочным болтом, определяется по формуле (131)*

где Rbh – расчетное сопротивление растяжению высокопрочного болта; Rbh = 0,7Rbun = 0,7*110 = 77 кН/см2;

Аbh – площадь сечения болта нетто, Аbh = 2,45 см2

k – число поверхностей трения, k = 2;

γb – коэффициент работы соединения, γb = 1,0 при числе болтов 10 и более;

γh - коэффициент надежности, принимаемый по табл. 36* , γh = 1,12;

μ – коэффициент трения, принимаемый по табл. 36* , для газопламенного способа очистки μ = 0,42

Необходимое число высокопрочных болтов:

Принимаем 16 болтов.

9.3 Расчет стыка стенки

Стык перекрываем двумя накладками толщиной 13 мм каждая. Принимаем по два вертикальных ряда болтов на каждой полунакладке (m=2), число горизонтальных рядов k найдем в зависимости от

где hmax – расстояние между крайними рядами болтов, hmax = 159 см;

При α = 0,168 k = 15. Принимаем 16 рядов болтов, получаем расстояние между ними 106 мм, что больше аmin = 2,5d0 = 2,5*23 = 57,5 мм и меньше amax = 18t = 18*13 = 234 мм

Наибольшее усилие в крайнем болте от изгибающего момента

Поскольку поперечная сила Qx = 0, то проверка сводится к виду:

Рис.8.2. Монтажный стык балки на высокопрочных болтах.

10. ПОДБОР СЕЧЕНИЯ КОЛОННЫ

Подобрать сечение стержня сплошной центрально-сжатой колонны рабочей площадки. Исходные данные:

а) по заданию на проектирование:

Высота этажа H = 7,2 м;

Материал – углеродистая сталь обычной прочности;

б) по результатам выполнения предшествующих разделов:

Толщина настила tsh = 10 мм;

Высота второстепенной балки hfb = 34,6 см;

Высота главной балки hmb = 174,0 см;

Реакция главной балки Vmb = Qmb,max = 1194 кН;

Главная балка опирается на колонну сверху.

10.1 Расчетные характеристики материала и коэффициенты

Колонны относятся к группе 3 по табл. 50* . Принимаем сталь обычной прочности, соответствующую группе 3 конструкций, сталь С245 по ГОСТ 27772-88. Расчетное сопротивление принимаем для фасонного проката толщиной до 20 мм, для которого Ry = 240 МПа, Run = 370 МПа (табл. 51* ), E = 2,06×105 МПа, n= 0.3 (табл. 63 ). Для сооружений II уровня ответственности (прил.7* ) коэффициент надежности по ответственности равен gn=0,95. Коэффициент условий работы при расчете на прочность gc=1,0 (табл. 6 ). Коэффициенты надежности по нагрузке gf g =1,05 (п.2.2 ), gf v =1,20 (п.3.7 ).

10.2 Определение расчетной длины колонны

Геометрическую длину колонны находим с учетом глубины заделки hb = 0,7 м.

lc =H - (tsh+ hfb+ hmb) + hb = 720 – (1,0+34,6+174,0) + 70 = 580,4 см.

Для дальнейших расчетов принимаем lc = 580 см.

Принимаем шарнирное закрепление колонны к фундаменту и шарнирное сопряжение колонны с балкой. При такой расчетной схеме коэффициент расчетной длины m = 1.

lef = lef,x = m lef,y = 1,0 × 580 = 580 см.

10.3 Определение продольной силы

Рассчитывается средняя колонна, на которую опираются две главные балки. Принимаем собственный вес колонны gc = 0,7 кН/м. Расчетная продольная сила определяется по формуле

N = 2Vmb + gfg gn gc lc = 2×1194 + 1,05×0,95×0,7×5,8 = 2392,05 кН

10.4 Подбор сечения стержня колонны

Сплошную колонну компонуем двутаврового сечения из трех листов. Задаемся в первом приближении значением гибкости λ = 75, которому соответствует коэффициент продольного изгиба φ = 0,716 (табл. 72 ).

Определяем требуемую площадь сечения колонны