Компоновка ячейки

И.К.Родионов

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ

ВАРИАНТОВ КОМПОНОВКИ ЯЧЕЕК

БАЛОЧНЫХ КЛЕТОК

Учебно-методическое пособие

Тольятти, 2013 г.

УДК 624.014.2:65.011.46

Р605

Р605. И.К.Родионов. Технико-экономическое сравнение вариантов компоновки ячеек балочных клеток: Учебно-методическое пособие. Тольятти: ТГУ, 2013. 28 с. Учебно-методическое пособие содержит методику определения рационально­сти компо­новки ячеек балочных клеток. Пред­назначены для студентов специальности 290300 «Про­мышленное и гражданское строительство» очной и очно-заочной форм обучения при выполнении курсовой ра­боты по проектированию рабочей площадки промыш­ленного здания.

Ил.9. Табл.1. Библиогр.: 8 назв.

Научный редактор доц., к.т.н. В.И.Шполтаков

Рассмотрено на заседание кафедры «Городское строительство и хозяйство» 25 сентября 2013 г. и рекомендовано к использованию в учебном процессе.

© И.К.Родионов, 2013

© Тольяттинский государственный университет, 2013

Введение

Проектирование рабочей площадки при заданной сетке колонн начинается с выбора наиболее выгодной компо­новки ячейки балочной клетки. Выбор произ­водится с помощью технико-экономического сравнения несколь­ких возможных вариантов компоновки. Для сравнения могут быть использованы следующие по­казатели:

– расход стали на 1 м² ячейки;

– стоимость стали, расходуемой на 1 м² ячейки (определя­ется в случае применения сталей различных ма­рок);

– количество типоразмеров балок на ячейку;

– количество отправочных марок балок на ячейку.

Первые два показателя характеризуют экономичность сравниваемых вариан­тов ячеек и определяются по ре­зультатам расчета их элементов (настила и балок). Два других характеризуют трудоемкость изготовления эле­ментов ячеек и их мон­тажа.

При заданной нагрузке и известной сетке колонн изменения в компоновке ячейки приво­дят лишь к незначительным изменениям массы главных балок; по­этому технико-экономи-ческие показатели при сравне­нии вариантов определяют без учета главных балок, т.е. учитывают только настил и балки заполнения ячейки (балки настила и вспомогательные).

В курсовой работе достаточно провести технико-экономическое сравнение двух вариантов компоновки ячейки балочной клетки: нормального и усложнен­ного типов [2, 3]. В случае мало отличающихся между собой показателей расхода и стоимости рекомендуется прини­мать вариант с менее трудоемкими в изготовле­нии и монтаже конструкциями.

1. Компоновка ячейки балочной клетки

При компоновке ячейки балочной клетки определяется взаимное расположение балок и их шаг. Бóльшие пролёты перекрываются главными балками (ГБ), меньшие – балками настила (БН) и вспомогательными (ВБ). Шаг балок настила определяется в общем случае несущей способностью и жесткостью настила. Обычно при стальном плоском листе он составляет а = 0,6–1,6 м; при настиле из сборных железобетонных плит а = 2,0–3,5 м ([2], рис. 1–4). Шаг вспомогательных балок обычно назначается в пределах l₂= 2,0–5,0 м ([2], рис. 3, 4). Шаги балок настила в балочных клетках нормального типа и вспомогательных балок в балочных клетках усложненного типа должны быть кратны пролету главных балок. Шаг балок настила в усложненном типе балочной клетки кратен пролету вспомогательных балок.

Для уменьшения трудоемкости изготовления балочных клеток в качестве балок настила и вспомогательных балок наиболее целесообразно применять прокатные дву­тавры; главные балки, учитывая их пролёт, чаще всего составного сечения.

При проектировании главной балки в курсовом проекте должен быть решен вопрос о наличии и месторасположении монтажного стыка (стыка укрупнительной сборки).

Монтажные стыки представляют собой сопряжения отдельных частей конструкций, отправочных марок, назначенных по условиям транспортировки и возможностям грузоподъемного оборудования завода изготовителя и монтажной организации.

По условиям транспортировки вопрос разбивки конструкции на отправочные марки решается сравнением ее габаритов и веса с габаритами и весом, предельно допустимыми для принятого в качестве средств доставки транспорта.

Основную массу металлоконструкций перевозят с заводов на строительные площадки по железной дороге. Предельно допустимые длины и вес перевозимых железнодорожным транспортом конструкций регламентируются «Техническими условиями погрузки и крепления грузов» [8]. В частности, в соответствии с ними длина отдельного отправочного элемента не должна превышать 14200 мм и 13774 мм при перевозке на одной четырехосной платформе грузоподъемностью 62 т соответственно с металлическими и деревянными бортами.

Провозные габариты железнодорожного транспорта: предельная высота конструкции – 3900 мм, предельная ширина – 3250 мм, толщина подкладок – 150 мм.

При выборе типа платформ необходимо стремиться к тому, чтобы коэффициент использования железнодорожного транспорта, равный отношению веса перевозимого груза к грузоподъемности платформы, был по возможности ближе к единице.

Месторасположение монтажных стыков главных балок должно предусматривать членение их на отдельные, желательно одинаковые, отправочные элементы ([2], рис. 5–8). В разрезных балках стыки располагают обычно в середине пролета ([2], рис. 1–4); возможно также их симметричное относительно середины расположение.

Компоновку ячейки балочной клетки необходимо производить с учетом месторасположения монтажного стыка главной балки: балки настила в нормальном типе балочной клетки или вспомога­тельные балки в усложненном типе не должны попадать на сечение главной балки, где расположен ее монтажный стык.

Отсюда, в пределах ячеек оси крайних балок на­стила (в балочной клетке нормального типа) или вспомога­тельных балок (в усложненном типе) могут совмещаться с разбивочными осями ([2], рис. 1, 3), а могут быть сме­щены с осей на половину шага ([2], рис. 2, 4). В частности, если при делении величины пролета на шаги балок получается нечетное число, крайние балки в ячейке следует совмещать с осями. В случае четного числа необходимо смещать балки с осей на полшага.

Эти особенности существенно влияют на конструкцию сопряжения балок с колоннами.

2. Расчет элементов ячеек балочных клеток

Расчет производится в последовательности, соответст­вующей последова­тельно­сти передачи нагрузки:

– в ячейках балочных клеток нормального типа сначала рассчитывается на­стил, а затем балки настила;

– в ячейках балочных клеток усложненного типа первона­чально рассчитыва­ется настил, затем балки настила и да­лее вспомогательные балки.

В результате расчета производится подбор толщин настила, сечений балок, удовлетворяющих требованиям эксплуатации. Затем определяются технико-эко­номиче­ские показатели, по­зволяющие произвести выбор рационального варианта компоновки ячейки: расход стали на 1м² ячейки, количество тпипоразмеров и количество отправочных марок балок, заполняющих ячейку.

2.1. Расчет плоского стального настила

Простейшей конструкцией плоского стального настила является стальной лист толщиной t = 6–14 мм, приваренный к балкам (рис.1,а).

Приварка защемляет на­стил, создавая опорные моменты и снижая моменты в пролете; в запас прочно­сти, жест­кости защемление можно не учитывать и принимать при расчёте балоч­ную однопролётную схему с шар­нирно-неподвижными опорами (рис.1,б), считая, что в опорных сече­ниях в пре­дельном состоянии могут образовываться шарниры пластичности.

При нагрузках, не превышающих 50 кН/м², и предельном относительном прогибе не более 1/150 прочность шар­нирно-закрепленного стального настила всегда будет обеспечена и его надо рассчитывать только по жесткости.

Рис. 1. Плоский стальной настил:

а) конструктивная схема;

б) расчетная схема.

Целью расчета является определение минимальной толщины настила при задан­ных величинах нормативной нагрузки q_vⁿ и пролета а. Толщина настила мо­жет быть определена аналитически с помощью уравнения Телояна [1] или по графикам Лейтеса (рис. 2).

q_vⁿ, кН/м²

a/t

Рис. 2. Графики Лейтеса

Порядок расчета настила с помощью графиков: для заданной нагрузки q_vⁿ и предельного относи­тельного прогиба [f/a] опре­де­ляется соответствующее отно­шение пролёта настила к его толщине (а/t = n), откуда опреде­ляется толщина на­стила (t = а/n); полученная величина округля­ется до стандартной в со­ответствии с ГОСТ 19903–74^* (сокращенный сортамент ГОСТ представлен в табл. П16.11 [1]).

Для сравнения вариантов необходим показатель расхода стали на 1м² на­стила. Он определяется умноже­нием объемной плотности стали ρ = 7850 кг/м³ на толщину настила t.

2.2. Расчет балок

Расчет балок производится следующим обра­зом:

– определяются конструктивные и, соответствующие им, расчетные схемы;

– определяются нормативные и расчетные нагрузки;

– определяются максимальные расчетные значения усилий: изгибающих моментов М_max и перерезывающих сил Q_max;

– определяются требуемые значения моментов со­противлений из условия работы на изгиб по нормальным напряжениям (1-я группа пре­дель­ных состояний – [6], пп.5.12, 5.18*]);

– подбираются по сортаменту прокатной стали ГОСТ 8239–89 (табл. П16.3 [1]) двутавры с фак­тическими значениями моментов сопротивлений, бóльшими или равными требуемых зна­чений (Wx^ф ≥ Wx^тр );

– производится проверка подобранных двутавров на пригодность к нормальной эксплуатации, то есть по жесткости (2-я группа пре­дельных состояний – [6], п.13.1);

– выявляется необходимость проведения проверки об­щей устойчивости балок – [6], п.5.16; сам расчет общей устойчивости в случае его необходимости произ­водится в соответствии с требованиями п.5.15 [6].

Проверка касательных напряжений в прокатных балках при отсутствии ослаб­лений опорных сечений обычно не требуется, вследствие относительно большой толщины стенок балок.

Для сравнения вариантов компоновок необходим показатель расхода стали на балки, отнесенный к 1 м² площади ячейки (кг/м²). Этот показатель может быть опреде­лен делением линейной плотности (массы 1-го погонного метра) балки (кг/м) на ширину ее гру­зовой полосы (м).

3. Пример технико-экономического сравнения вари­антов ком­поновки ячейки ба­лочной клетки

Требуется запроектировать балочную клетку со следующими исходными данными:

1. Размеры ячейки в плане 16х7 м.

2. Временная нормативная нагрузка q_vⁿ = 24 кН/м² равномерно рас­преде­лена по настилу.

3. Материал настила и балок – сталь класса С245.

4. Настил – плоский стальной лист (ГОСТ 19903–74*).

5. Балки настила и вспомогательные балки – про­катные двутавры (ГОСТ 8239–89).

6. Главные балки – составного сечения.

7. Средство перевозки конструкций на монтажную площадку – авто­транс­порт.

8. Монтажные стыки главных балок в середине пролета.

Обычно выбор рационального решения достига­ется технико-экономиче­ским сравнением нескольких возможных вариантов компоновки ячейки. В данном примере рассмот­рим два варианта: нормального и усложнен­ного типов.

Порядок конструирования и расчета каждого варианта:

– компоновка ячейки;

– расчет элементов ячейки;

– определение технико-экономических показате­лей.

3.1. Вариант 1: ячейка балочной клетки нормального типа

Компоновка ячейки

Главные балки располагаем в продольном направлении, перекрывая, таким образом, бóльший пролет L = 16 м (рис. 3 ). По условиям транспортабельности делим каждую балку на две равные отправочные марки – ГБ1, определяя, таким образом, положение монтажного стыка в середине пролета.

Примем шаг балок настила а = 0,8 м, кратный пролету главной балки. Частное от деления L/a = 20 – четное число.

Рис. 3. Ячейка балочной клетки нормального типа

Отсюда, для того, чтобы балка настила не по­пала на монтажные стыки главных балок, принимаем вариант компо­новки со смещением крайних балок настила в ячейке с поперечных разбивоч­ных осей на полшага (рис. 3). В случае нечетного числа от деления L/a крайние балки следовало бы совместить с поперечными осями ячейки.