Надежность и стабильность сварных конструкций

 

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ ВПО «МГИУ»)

Кафедра «Оборудования и технологии сварочного производства»

 

 

К У Р С О В  А Я    Р А Б О Т  А
по дисциплине:         «Проектирование сварных конструкций»
на тему «Надежность и стабильность сварных конструкций»
Группа
Студент	_______________ (подпись)
Руководитель работы	_______________ (подпись)
ДОПУСКАЕТСЯ К ЗАЩИТЕ
Руководитель работы	_____________ (подпись)
Оценка работы Дата	_____________	«___» ___________

 

МОСКВА 2012

 

РЕФЕРАТ

 

Курсовая работа включает в себя 24 страницы машинописного текста, 11 рисунков, 2 таблицы, 2 графика, 1 использованный литературный источник.

Ключевые слова: сварные конструкции, стабильность, надежность, Ст3, жесткость, экономичность, устойчивость, прочность, мониторинг, автовибрации, сохраняемость.

В курсовой работе представлены расчет и проектирование сварной балки и ее элементов, а также рассмотрены надежность и стабильность данной сварной конструкции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1. Введение………………………………………………………………………4

2. Задание. Исходные данные……………………………………………….…5

3. Расчет внутренних силовых факторов……………………………….......... 5

4. Выбор сечения балки…………………………………………………...........7

5. Определение высоты балки из условия жесткости………………………..7

6. Определение высоты балки из условия экономичности………………….7

7. Подбор геометрических размеров сечения балки…………………………7

8. Проверка балки на прочность………………………………………….……9

9. Обеспечение местной и общей устойчивости………………………….…..11

10. Конструирование и расчет сварных соединений………………………….13

11. Конструирование и расчет опорных частей……………………………...14

12.Расчет и проектирование подвижного опорного узла……………………..15

13.Лабораторный практикум……………………………………………………17

Приложение………………………………………………………………….…..19

Заключение ……………………………………………………………………..23

Список использованной литературы…………………………………………...24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение[1]

Главная задача при изготовлении металлоконструкций уменьшение металлоемкости при сохранении прочностных характеристик. Что значительно повышает рентабельность проектов. В этом контексте сварные балки решают проблему уменьшения массы несущих конструкций. Балка сварная стальная двутавровая представляет собой сварную конструкцию из стальных листов, по форме и размерам схожую с аналогичным размером горячекатаной балки по ГОСТ 26020-83 или по СТО АСЧМ 20-93.  Сварка позволяет наиболее рациональным образом сочетать размеры горизонтальных листов, часто называемых поясами, с вертикальной стенкой. Возможность создавать сварные конструкции с желаемыми соотношениями размеров, снижает расход металла и делает их более экономичными и более рентабельными по стоимости. При сварном методе изготовления балки из листов, можно создавать более рациональные профили. Именно благодаря применению сварки удается создавать балки любой длины, разнообразных размеров высотой до 2 и более метров.

Сварные балки применяются в стальных строительных конструкциях каркасов жилых, общественных, сельскохозяйственных и промышленных зданий, перекрытиях, эстакадах, мостах, подкрановых балках и в других металлоконструкциях. Особенно эффективны сварные балки в большепролетных конструкциях промышленных зданий, цехов и других сооружений, так как дают не только меньшие нагрузки на них, но и значительную экономию металла.

Данная балка сделана  из материала Ст3 . К ней приложены две сосредоточенные  силы. В данной курсовой работе мы строим эпюры моментов и поперечных сил. Выбираем наиболее опасное сечение балки . Определяем высоту балки  из условия жёсткости и экономичности . Подбираем  сечения профиля. Чертим эскиз сечения балки с размерами. Проверяем на прочность. Рассчитываем местную и общую устойчивость . Конструируем расчёт сварных соединений.

Конструируем расчёт опорных частей балки с экспериментальным  мониторингом  сохраняемости геометрии  при естественном старении .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Задание. Исходные данные [1]

Таблица 1

Исходные данные

Вариант	l, м	q, Н/м	Р, кН	а, м	Материал	[σ]р, МПа	fmax/l
13	22	3000	160	8	Ст3	160	1/400

 

3. Расчет внутренних силовых факторов [1]

       ∑ Fу = Rа + Rв - 2P- gl = 0 .

     

       ∑ Mа = -Pа – P(l-a) –l g + Rвl = 0.

                                          2                

       Rв  = gl + P.

                2l

Rв  =3*22 +160  = 193 кНм.

        2*22

       Ra = 2P +gl –Rв

 Ra =2*160 +3*22-193=193 кНм.

 

Направление  Rв и Ra показаны на рис. 1.

Поперечные силы в  каком-либо сечении определяется как  сумма сил , лежащих по одну сторону  от сечения:

    Q=∑ Pyi  + ∑gyj zj.

 

Где Py – сосредоточенная сила.

       gy – распределённая сила.

        z – длина, на которой действует   gy.

    Q=193 - (3*11 + 160)=0.

    Q=193 -(3*8 +160)=9 кНм.

Изгибающий момент  в каком-либо сечении определяется как сумма всех производных сил, лежащих  по одну сторону от сечения , умноженная на их плечо .

     М =∑ Pyi  zip + ∑ gyj zj .   

                                    2

     М =193*8 +3*11 =1725,5 кНм.

                             2

                                        0

   Мр  = ∑ Pyi  zip + ∑ qyj zj =193*8= 1544 кНм.

                                 2

                  0                                  

     Мq = ∑ Pyi  zip + ∑ qyj zj =3*11 = 181,5

2.    2

Рис. 1 – Эпюры внутренних силовых факторов.

 

4. Выбор сечения балки [1]

 

Выбираем балку двутаврового сечения, так как имеем случай приложения нагрузок только в вертикальной плоскости. Сварной двутавр состоит  из вертикальной стенки и двух горизонтальных полос, но может иметь вертикальные и горизонтальные ребра жесткости. Стенка и пояса могут быть при больших размерах составными. В некоторых случаях в целях экономии металла делают балки переменного по длине сечения. При этом изменяют высоту вертикального листа или ширину и толщину полок.

 

5. Определение высоты балки из условия жесткости [1]

 

Сварная балка должна удовлетворять требованию жесткости, т.е. ее прогиб f_max от наибольшей нагрузки не должен превышать предельно допустимого. В требованиях к балке задается норма жесткости в виде f_max/l. Чтобы удовлетворить требованиям жесткости, балка должна иметь высоту не менее некоторой предельной.

Определяем высоту балки  из условия жесткости:

 

6. Определение высоты балки из условия экономичности [1]

 

Балка должна удовлетворять прочности при условии наименьшей массы, т.е. площадь поперечного сечения должна быть минимальной.

Определяем высоту балки из условия  экономичности:

где S_B – толщина вертикального листа:

Так как высота h_ж больше, чем высота h_э, то ее следует принять в расчет при подборе сечения. Высоту вертикального листа h_в (h_в=(0,95…0,98) h) принимаем 1400 мм.

7. Подбор геометрических размеров сечения балки. [1]

 

Момент инерции подобранного вертикального листа, размером 1400мм х 10мм:

 

Далее по плану конспекта  из тетради. [1]

Требуемый момент сопротивления поперечного сечения балки:

                                                   

                        

 

 

Рис. 2 – Геометрические размеры сечения сварной двутавровой балки.

 

 

8. Проверка балки на прочность [1]

 

 

Наибольшее нормальное напряжение в крайнем волокне балки:

Проведем проверку:

, однако отличие  от равно:

, выходит за 5% что не допустимо . Спроектированное сечение не прошло проверку на прочность.

Возвращаемся к началу расчета момента сопротивления  поперечного сечения балки и  на основе метода «проб и ошибок»  будем добиваться нужного результата.

                                                   

                        

Проверим 

 

Проведем проверку:

, однако отличие  от равно:

, не выходит за 5% что вполне допустимо.

Спроектированное сечение  прошло проверку на прочность. Балка считается спроектированной

 

Кроме этого, производится проверка на прочность для ряда опасных сечений. Так, в опорных сечениях балки  значительны поперечные силы. Определяют касательные напряжения в центре сечения:

,

где - статический момент верхней половины сечения относительно нейтральной оси:

 

При этом должно выполняться условие:

Условие выполняется.

В местах приложения сосредоточенных  сил действуют значительные поперечные силы и изгибающие моменты. Расчет ведут  для точек, расположенных на верхней  кромке вертикального листа.

Определяют интенсивность  напряжений по формуле:

;

Условие прочности выполняется, так как разница и не более, чем 5% от .

В месте приложения сосредоточенной  силы в вертикальном листе возникают  местные напряжения (рис. 3). В этих местах целесообразно приваривать накладки и ставить ребра жесткости.

Рис. 3 – Влияние сосредоточенной силы.

 

9. Обеспечение местной и общей устойчивости [1]

 

Высокие балки, у которых  , под действием вертикальных нагрузок могут терять общую устойчивость. Для предотвращение потери общей устойчивости свободную длину изгибаемого элемента ограничивают путем установки горизонтальных связей, особенно на сжатых поясах. Проверку напряжений в изгибаемой балке с учетом требований обеспечения общей устойчивости проводят по формуле:

,

где - коэффициент уменьшения допускаемых напряжений в балке с учетом обеспечения ее устойчивости, который рассчитывается по формуле:

;

где и - моменты инерции относительно осей x и у;

       - полная высота балки;

       - пролет балки или расстояние между закреплениями, препятствующими перемещениям в горизонтальной плоскости.