ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Оборудование и технология сварочного производства»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАРНЫХ

КОНСТРУКЦИЙ

Методические указания к курсовому проекту

для студентов специальности

1-36 01 06 «Оборудование и технология сварочного производства»

Могилев 2012 УДК 621.791.05 ББК 30.4 П 80 Рекомендовано к опубликованию учебно-методическим управлением ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет»

Одобрено кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства» «15» мая 2012 г., протокол № Составители: канд. техн. наук, доц. Т. И. Бендик;

канд. техн. наук, доц. В. В. Десятник Рецензент канд. техн. наук, доц. В. А. Попковский Методические указания предназначены для выполнения курсового проекта студентами специальности 1-36 01 06 «Оборудование и технология сварочного производства».

Учебное издание

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Ответственный за выпуск В. П. Куликов Технический редактор А. Т. Червинская Компьютерная верстка И. П. Полевничая Подписано в печать. Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.

Печать трафаретная. Усл. печ.л.. Уч.-изд.л.. Тираж 99 экз. Заказ № Издатель и полиграфическое исполнение Государственное учреждение высшего профессионального образования «Белорусско-Российский университет»

ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет», Содержание 1 Цели и задачи курсового проекта

2 Тематика проектов

3 Содержание и объем проекта

3.1 Структура пояснительной записки

3.2 Содержание и последовательность выполнения разделов пояснительной записки

3.3 Графическая часть проекта

4 Особенности и последовательность проектирования различных металлоконструкций

4.1 Вертикальный цилиндрический резервуар с плоским днищем............. 4.2 Сферический резервуар

4.3 Цилиндрический газгольдер (ресивер)

4.4 Сварные фермы

4.5 Применение вычислительной техники в проекте

5 Защита проекта

Список литературы

1 Цели и задачи курсового проекта Курсовой проект по дисциплине «Проектирование сварных конструкций»

служит для получения практических навыков в конструктивнотехнологическом проектировании конструкций, а также проверки знаний студентов и их умений самостоятельно решать комплексные задачи по расчету сварных металлоконструкций.

При выполнении курсового проекта необходимо учитывать требования по снижению металлоемкости конструкций, трудоемкости изготовления, общей стоимости, сокращению сроков монтажа и повышению их надежности и долговечности.

Сварная конструкция должна быть спроектирована на высоком инженерном уровне и предусматривать применение современных методов сборки, сварки и монтажа. Предпочтение должно отдаваться индустриальным методам изготовления.

Работая над курсовым проектом, необходимо использовать знания по общетехническим и специальным дисциплинам, а также показать навыки применения вычислительной техники при решении типовых проектных задач и работы с технической и справочной литературой, ТНПА.

2 Тематика проектов Объектом курсового проекта выступают разнообразные строительные и машиностроительные конструкции. В качестве примера можно привести разработку проекта следующих сварных конструкций: резервуар с плоским днищем для хранения нефтепродуктов, сферический резервуар, сварная мостовая ферма, цилиндрический газгольдер и др.

3 Содержание и объем проекта Курсовой проект содержит расчетно-пояснительную записку и графическую часть. Объем расчетно-пояснительной записки составляет 20 – 30 страниц. Расчетно-пояснительная записка оформляется на листах формата А4. На каждом листе оставляются поля следующих размеров: слева – 30 мм, сверху и снизу – 20 мм, справа – 10 мм. Все страницы записки нумеруются порядковым номером и подшиваются в обложку из плотной бумаги.

Основные надписи для текстовой документации (пояснительной записки) выполняются в соответствии с требованиями ЕСКД. При оформлении сборочных чертежей сварных конструкций следует обратить внимание на условное изображение и обозначение сварных соединений по ГОСТ 2.312-72. Расчетные формулы должны иметь сквозную нумерацию.

В расчетах и описаниях необходимо давать ссылки на использованную литературу по тексту пояснительной записки. Список литературных источников оформляется по ГОСТ 7.1-2003.

3.1 Структура пояснительной записки 1 Техническое задание на проектирование.

2 Содержание.

3 Общая часть.

4 Расчетная часть.

5 Технологическая часть.

6 Контроль качества.

7 Охрана труда.

8 Заключение.

9 Список использованных источников.

10 Приложение А. Спецификации чертежей курсового проекта.

11 Приложение Б. Результаты компьютерных расчетов элементов конструкции.

3.2 Содержание и последовательность выполнения разделов пояснительной записки Преподаватель выдает студенту техническое задание на проектирование, которое включает основные характеристики и условия работы конструкции.

В общей части дается описание конструкции, ее назначение, выбор и обоснование материала. Выбор материала производится исходя из климатических условий, а также из соображений снижения массы и общей себестоимости конструкции.

Расчетная часть включает выбор расчетной схемы и определение геометрических размеров элементов заданной конструкции. В первую очередь производится выбор и обоснование метода расчета элементов конструкции (по допускаемым напряжениям или по предельному состоянию), определяется порядок выполнения расчетов.

Выбор марки стали для элементов конструкций должен производиться с учетом требуемых показателей и характеристик: гарантированного минимального предела текучести, временного сопротивления, ударной вязкости, необходимой хладостойкости, толщины проката, а в случае повышенной коррозионной активности хранимого продукта – по коррозионной стойкости. Исходя из места установки конструкции по СНиП 23-01-99 «Строительная климатология»

определяется температура воздуха наиболее холодных суток, по которой осуществляется выбор марки стали.

Прежде чем приступить к составлению схемы нагружения конструкции, необходимо определить основные геометрические параметры конструкции и обосновать их (высота и диаметр резервуара, схема решетки ферм и вышек, соотношение пролета и высоты ферм, соотношение высоты и ширины опорной части у вышек и т. д.). На практике все геометрические размеры конструкций следует увязывать с габаритами транспортных средств. При перевозке по железной дороге наибольший размер конструкции по вертикали равен 3,8, по горизонтали – 3,2, а по длине – 13 м для одной четырехосной платформы.

При подборе расчетных сечений конструкции обеспечение несущей способности должно сочетаться с оптимальной унификацией, направленной на сокращение номенклатуры профилей проката и конструктивных элементов (косынок, фасонок, ребер и т. д.). В целях экономии металла расчетное напряжение в элементах не должно отличаться от допускаемых напряжений или расчетных сопротивлений более чем на 5 – 7%.

Все сварные соединения должны быть рассчитаны на равнопрочность с основным металлом. В проекте необходимо стремиться к максимальному снижению массы наплавленного металла, так как от этого фактора зависят такие технико–экономические показатели, как трудоемкость, расход сварочных материалов и электроэнергии. Расчетные сопротивления сварных соединений следует определять по СНиП II–23 [10].

Все сварные соединения сводятся в таблицу 1, которая должна быть представлена на листе графической части.

Таблица 1 – Сводная таблица сварных швов Масса наплавленного металла на сварную конструкцию, кг В технологической части проекта излагаются принципиальные решения конструктивно–технологического плана, направленные на применение прогрессивных технологических процессов сборки, сварки и монтажа изделия, при этом предпочтение отдается индустриальным методам изготовления.

В этом разделе делается выбор и обоснование способа изготовления заготовок, методов раскроя. Исходный материал должен подбираться из расчета получения минимальных отходов металла и максимального сокращения протяженности сварных швов (например, формат листового проката, применение гнутого профиля и т. п.).

Должна быть тщательно продумана и описана технология поузловой и общей сварки, как в стационарных условиях, так и в условиях монтажа. Прогрессивным является применение индустриальных методов изготовления конструкций с максимальным переносом работ в стационарные производственные условия. Например, применение метода рулонирования листовых конструкций.

При этом излагаются требования, которые были выполнены в проекте для обеспечения применения индустриального метода изготовления.

Производится выбор и обоснование способа сварки, сварочного оборудования, сварочных материалов и режимов сварки как в стационарных условиях, так и в условиях монтажа.

Сварная конструкция должна быть отработана на технологичность. Комплекс мероприятий по получению необходимого уровня технологичности конструкции должен обеспечивать технологичность по изготовлению, транспортабельности и эксплуатации.

В разделе «Контроль качества» описываются методы контроля, применяемые при изготовлении конструкции.

Необходимо описать методы, используемые в стационарных и монтажных условиях при изготовлении данной конструкции (визуальный контроль, проверка герметичности, физические методы для определения внутренних дефектов, проверка механических свойств сварных соединений).

В разделе «Охрана труда» следует изложить требования по охране труда при выполнении сборочно-сварочных и контрольных работ, а также этих работ в условиях монтажа.

В разделе «Заключение» следует отразить соответствие содержания проекта полученному заданию. Отмечаются основные положительные перемены и показатели, которые осуществлены в проекте. Здесь же приводятся следующие показатели: масса металлоконструкции, общая масса наплавленного металла, удельная масса металлоконструкции, т. е. масса, отнесенная к показателям объема, высоты, длины пролета и т. д., протяженность сварных швов, выполненных на заводе и на монтаже.

3.3 Графическая часть проекта Эта часть проекта содержит:

1) расчетную схему конструкции, выполненную на одном листе формата А1 (841 х 594), с указанием основных геометрических размеров и полученных расчетных нагрузок (в некоторых проектах эта схема может быть представлена в пояснительной записке);

2) общий вид конструкции с разрезами, сечениями, выносными элементами, поясняющими конструктивную особенность изделия и сопряжения отдельных элементов – 1–2 листа;

3) общий вид наиболее характерной сборочной единицы объекта проектирования (выполняется по согласованию с руководителем) – 0,5–1 лист;

4) технологический лист, поясняющий технологию сборки и сварки или монтажа изделия – 1 лист;

5) результаты прочностных расчетов, выполненных с применением вычислительной техники (выполняется по согласованию с руководителем) – 1 лист.

Расчетная схема конструкции может содержать схему нагружения, эпюры с определением расчетных значений величин, необходимых впоследствии для расчета, графическое или аналитическое определение усилий в элементах конструкции, схему определения грузовых площадей для определения ветровых нагрузок, таблицы расчетных величин.

На технологическом листе может быть представлен чертеж или схема общего вида приспособления (установки) для сборки или сварки изделия.

Графическая часть выполняется на четырех листах формата А1 в соответствии с требованиями ЕСКД.

4 Особенности и последовательность проектирования различных металлоконструкций 4.1 Вертикальный цилиндрический резервуар с плоским днищем Резервуар вертикальный стальной (РВС) цилиндрический – объемное, наземное сооружение в форме стоящего цилиндра, со своими установочными характеристиками, предназначенное для приема, хранения, измерения объема и выдачи нефти и нефтепродуктов. Основными составными частями резервуара являются основание, днище, стенка и крыша (рисунок 1).

а – общий вид резервуара; б – схема нагружения резервуара внутренним давлением Рисунок 1 – Резервуар вертикальный стальной цилиндрический В зависимости от объема и места расположения резервуары подразделяются на четыре класса по степени опасности: класс I – резервуары объемом более 50 000 м3; класс II – резервуары объемом от 20 000 до 50 000 м3, а также резервуары объемом от 10 000 до 50 000 м3, расположенные непосредственно по берегам рек, крупных водоемов и в черте городской застройки; класс III – резервуары объемом от 1000 до 20 000 м3; класс IV – резервуары объемом менее 1000 м3. Класс опасности должен учитываться при назначении специальных требований к материалам, методам изготовления, объемам контроля качества, коэффициентов надежности по ответственности.

Резервуары объемом 5000 м3 и более должны проектироваться, как резервуары, изготавливаемые методом полистовой сборки. Резервуары объемом до 5000 м3 могут проектироваться как резервуары, изготавливаемые методом полистовой или рулонной сборки. Конструктивное исполнение резервуаров и их элементов рекомендуется принимать по таблице 2.

Геометрические размеры резервуара назначают по рекомендациям таблицы 3 исходя из объема хранимой жидкости V. Например, для резервуара объемом V = 20000 м3 по таблице 3 принимаем номинальную высоту резервуара Нном = 16 м.

Таблица 2 – Конструктивное исполнение резервуаров Объем резер– полисто- рулон- полисто- сфери- каркас- плаваю- кольце- шахт- маршевуара, м Наиболее часто в резервуарах применяют листы размерами 1500 6000;

1800 8000; 2000 8000 мм. С учетом обработки кромок листов путем обрезки на гильотинных ножницах или строжкой на 10 мм на кромкострогательных станках высоту резервуаров следует принимать кратной 1490, 1790 или 1990 мм в зависимости от принятого типоразмера листов, а длину окружности – кратной, соответственно, 5990 или 7990 мм. При необходимости разрешается принимать длину окружности кратной половине длины листов. С учетом обработки кромок листа при дальнейших расчетах принимаются следующие его размеры: 1990 7990 мм. Соответственно количество поясов в резервуаре будет равно восьми ( Nп 8 ). Точная высота резервуара Н = 1990. 8 = 15920 мм.

Радиус резервуара определяется из формулы для объема цилиндра где r – радиус резервуара, м;

Н – высота стенки резервуара, м.

Таблица 3 – Объемы резервуаров рекомендуемого параметрического ряда, м Высота стенки, м 10,43 12,33 15,18 18,98 20,92 22,80 28,50 34,20 39,90 45,60 50,70 55,80 60,70 66,00 71, 6,0 513 716 1086 1698 7,5 641 896 1357 2122 9,0 769 1075 1629 2546 10,5 897 1254 1900 2971 12,0 1025 1433 2172 3395 4125 4899 7655 11024 15004 19598 24226 29345 34726 13,5 1153 1612 2443 3820 4640 5512 8612 12402 16880 22047 27255 33014 39066 15,0 1282 1791 2715 4244 5156 6124 9569 13779 18755 24497 30283 36682 16,5 1410 1970 2986 4668 5671 6737 10526 15157 20631 26947 33311 18,0 1538 2149 3258 5093 6187 7349 11483 16535 22507 29396 36339 19,5 1666 2328 3529 5517 6703 7961 12440 17913 24382 31846 20,0 1709 2388 3620 5659 6875 8166 12759 18373 25007 32663 21,0 1794 2507 3801 5942 7218 8574 13397 19291 26258 34296 22,0 1880 2627 3982 6225 7562 8982 14035 20210 27508 Периметр резервуара Lп и число листов в поясе N л где L – длина листа пояса резервуара, м.

Предпочтительней округлять число листов в поясе до целого или выбирать последний лист равным половине длины листа.

Принимаем число листов в поясе N л 16. Тогда периметр резервуара а окончательный радиус Уточненный объем резервуара Выбор марки стали для всех элементов конструкции проводится по [12, п. 5.8].

Номинальная толщина каждого пояса стенки резервуара tU рассчитывается по формуле tL – назначенная номинальная толщина пояса стенки, примыкающего снизу к i-му стыку, м;

tcU – припуск на коррозию пояса стенки, примыкающего к i-му стыку снизу, м;

tmU – минусовой допуск на прокат пояса стенки, примыкающего к i-му стыку снизу, м;

R – расчетное сопротивление материала пояса стенки по пределу текучести, Па;

– плотность нефтепродукта, кг/м3;

p – нормативное избыточное давление в газовом пространстве, МПа;

g – ускорение свободного падения, g = 9,8 м/с2;

Hi – расстояние от зеркала продукта до i-гo стыка поясов при эксплуатации, м.

Расчетное сопротивление материала стенки резервуаров по пределу текучести определяется по формуле где R yn – нормативное сопротивление растяжению (сжатию) металла стенки, равное минимальному значению предела текучести, принимаемому по государственным стандартам на листовой прокат;

– коэффициент условий работы, c 0,7 – для нижнего пояса, 0,8 для остальных поясов;

m – коэффициент надежности по материалу, m = 1, [12, таблица 2];

n – коэффициент надежности по ответственности, для I класса опасности n =1,2; для II класса n =1,1; для III класса n =1,05; для IV класса n =1.

Результаты расчета толщины tU каждого пояса стенки следует округлить до целого числа в большую сторону в соответствии со значениями толщины проката по ГОСТ 19903, сравнить с минимальной толщиной стенки (таблица 4) и свести все данные в таблицу 5.

После расчета толщин поясов приступают к проектированию кровли резервуара. Исходными данными для расчета служат диаметр резервуара и снеговая нагрузка, которая связана с месторасположением резервуара. Для проектирования кровля разбивается на ряд монтажных щитов, представляющих собой секторы круга. Их размеры и количество назначают из соображений рационального раскроя металла. Элементы жесткости щита кровли рассчитывают, рассматривая щит как балку, опирающуюся одним концом на центральную стойку, другим – на стенку резервуара.

Таблица 4 – Минимально допустимая толщина листов стенки резервуара Диаметр резервуара, м Минимально допустимая толщина листов стенки, мм Следующим этапом проектирования является расчет центральной стойки.

Нагрузкой для нее служит 33 % нагрузки, создаваемой снеговой нагрузкой, а также массой кровли. Стойку рассчитывают, рассматривая ее как жестко заделанную нижним и шарнирным верхним концами.

Таблица 5 – Номинальная толщина стенки резервуара Номер пояса толщина пояса tU, tcU, мм tmU, мм tU + tmU+ tcU Днище резервуара состоит из четного числа полотен (для возможности создания уклона), каждое из которых обычно не превышает 12 м по ширине.

Полотна сваривают из листов размерами 1500 6000 мм или 2000 8000 мм толщиной 5 мм – при вместимости до 10000 м3 и толщиной 6 мм – при больших объемах. Соединение листов полотнищ производят двусторонней автоматической сваркой плотнопрочными швами с полным проваром по толщине свариваемого металла. При монтаже центральной части днища полистовым методом применяются нахлесточные и стыковые соединения на остающейся подкладке.

Помимо перечисленных расчетов необходимо рассчитать сварные соединения резервуара. Так, следует рассчитать сварные швы, которыми щит кровли крепится к обечайке и к опорному кольцу кровли; сварные швы, крепящие сливной патрубок к обечайке; сварной шов, крепящий обечайку к днищу.

Резервуар необходимо оснастить лестницей и ограждением кровли.

Способы сварки различных элементов резервуара рекомендуется выбирать в соответствии с таблицей [11, п. 6.15]. Максимальные катеты угловых сварных швов не должны превышать 1,2 толщины более тонкой детали в соединении. Для деталей толщиной 4–5 мм катет углового сварного шва должен быть равен 4 мм. Для деталей большей толщины катет углового шва определяется расчетом или конструктивно, но должен быть не менее 5 мм.

4.2 Сферический резервуар Элементами резервуара, подлежащими расчету, являются сферическая оболочка и стойки резервуара (рисунок 2). Объем сферического резервуара вычисляют по формуле где r – радиус внутренней поверхности резервуара, м;

Тогда внутренний диаметр резервуара D = 2 r 2 3.

а – общий вид; б – расчетная схема; 1 – оболочка резервуара; 2 – смотровая лестница; 3 – опорная стойка; 4 – диагональные связи; 5 – фундамент стоек; 6 – фундамент шахтной лестницы; 7 – шахтная лестница;

8 – переходная площадка; 9 – площадка обслуживания Рисунок 2 – Резервуар сферический Расчетное давление определяют как сумму гидростатического и избыточного давлений:

где – плотность хранимого вещества, кг/м3;

g – ускорение свободного падения, g = 9,8 м/с2.

Расчетную толщину оболочки определяют согласно СТБ ЕН 13445 Сосуды, работающие под давлением:

где – коэффициент снижения допускаемых напряжений на сварные соединения по сравнению с допускаемым напряжением на основной металл, = 1;

[] – допускаемое напряжение, МПа.

Допускаемое напряжение определяют по следующей зависимости:

где В – минимально гарантированный предел прочности выбранной марки стали, МПа;

n – коэффициент запаса прочности сферических резервуаров, n = 3,5.

Окончательная толщина стенки резервуара t o принимается с учетом технологической прибавки на вытяжку металла при вальцовке или штамповке t m 0,4 0,015t 0,5 мм и припуска на коррозию t c 0,4 0,05t 1 мм:

Следующим этапом является расчет стоек резервуаров. Для этого назначают их количество (как правило, кратное шести), а нагрузку, созданную массой резервуара и хранимой жидкости, делят на количество стоек. Стойку рассматривают с жестко заделанным нижним концом, шарнирным верхним и внецентренно нагруженную.

После расчета стоек рассчитывают все сварные соединения, а именно:

сварные швы, крепящие стойку к опорной пластине; сварные швы, крепящие опорную пластину к лепестку резервуара; сварные швы, крепящие сливной патрубок к лепестку резервуара.

4.3 Цилиндрический газгольдер (ресивер) Сосуды постоянного геометрического объема, предназначенные для хранения под давлением газов (азота, аммиака и др.), не вызывающих интенсивной коррозии, называются газгольдерами постоянного объема (рисунок 3), а при хранении в них воздуха – ресиверами. Геометрические размеры стальных горизонтальных (ГГ) и вертикальных (ВГ) газгольдеров постоянного объема высокого давления приведены в таблице 6.

а – горизонтальное расположение; б – вертикальное расположение Рисунок 3 – Общий вид газгольдеров постоянного объема Внутренний диаметр цилиндрической части D устанавливается 3200 мм, внутренний радиус полусферических днищ r – 1600 мм. Для изготовления цилиндрической части газгольдеров применяют стальные листы шириной или 2400 мм.

Таблица 6 – Геометрические размеры газгольдеров Номинальный объем, м Примечание - * случай "а" относится к давлению газа 0,25; 0,4; 0,6; 0,8; 1; 1,25 и 1,6 МПа, когда для цилиндрической части применяются листы шириной 2 м; ** случай "б" относится к давлению газа 1,6; 1,8; 2 МПа, когда для цилиндрической части применяются листы шириной 2,4 м Для цилиндрической и сферической частей сосуда могут быть применены стали следующих марок: при толщине до 12 мм – сталь ВСт3сп; при толщине более 12 мм – стали низколегированные 15ХСНД, 09Г2С.

Расчетную толщину цилиндрической оболочки определяют согласно СТБ ЕН 13445 Сосуды, работающие под давлением где р – расчетное давление, Па;

D – внутренний диаметр цилиндрической оболочки, м;

– коэффициент снижения допускаемых напряжений на сварные соединения по сравнению с допускаемым напряжением на основной металл, = 1;

[] – допускаемое напряжение, МПа.

Допускаемое напряжение определяют по формуле (9); расчетную толщину сферической оболочки – по формуле (8). Окончательная толщина стенки сосуда t o принимается с учетом технологической прибавки на вытяжку металла при вальцовке или штамповке t m и припуска на коррозию t c по формуле (10).

После этого производят проверку оболочки на устойчивость. Если по расчету на устойчивость толщина стенки получается больше, чем по расчету на прочность, то принимают толщину, полученную по расчету на устойчивость.

Если газгольдер расположен горизонтально, необходимо проверить прочность его кольцевых швов, рассматривая газгольдер как балку, лежащую на двух опорах. Следующим этапом расчета является расчет стоек газгольдера. При этом стойка рассматривается как внецентренно сжатая с жестко заделанным нижним шарнирным верхним концом. Нагрузкой для нее является масса газгольдера и хранимого сжиженного газа. Затем необходимо рассчитать сварные соединения спроектированной конструкции.

4.4 Сварные фермы Фермами называют решетчатые конструкции, работающие на изгиб.

Элементы фермы (пояса, раскосы, стойки и т. д.) испытывают только продольные растягивающие или сжимающие нагрузки. По схемам решетки различают фермы с треугольной (рисунок 4, а) и раскосной решеткой (рисунок 4, б). Эти два вида решетки являются основными.

Исходными данными для проектирования являются пролет фермы и нагрузки. Проектирование начинают с определения высоты фермы и геометрической системы. Оптимальную высоту фермы устанавливают в зависимости от ее пролета и типа решетки. Для стропильных ферм характерно отношение L/Н = 6 – 8. Угол наклона раскосов = 45 для конструкций с треугольной решеткой и 33 – 55 – с раскосной. На практике высоту фермы следует увязывать с габаритами транспортных средств. При перевозке по железной дороге наибольший размер конструкции по вертикали равен 3,8, по горизонтали – 3,2, а по длине – 13 м для одной четырехосной платформы. Фермы длиной пролета 18 м поставляются на монтаж целиком; при пролетах 24 и 30 м – в виде двух отправочных частей длиной 12 и 15 м; при пролетах 36 м – в виде 3 частей длиной 12 м.

а – ферма с треугольной решеткой; б – ферма с раскосной решеткой; L – длина пролета фермы; Н – высота фермы; – угол наклона раскосов Рисунок 4 – Основные параметры плоских ферм Последовательность расчета ферм:

1 Составление расчетной схемы с приведением распределенных нагрузок к сосредоточенным в узлах (рисунок 5):

где q – расчетная погонная нагрузка, Н/м;

d – расстояние между узлами верхнего пояса, м.

Дополнительные усилия, действующие на ферму, принимают в соответствии с техническим заданием (снеговая, нагрузка от веса подъемно– транспортного оборудования, собственный вес и т.д.) 2 Определение реакции в опорах фермы. При этом ферму рассматривают как балку, расположенную на двух опорах: шарнирно-неподвижной и шарнирной.

3 Определение усилий в стержнях фермы, предполагая, что узлы представляют собой шарниры. Для этого используют несколько методов: аналитические (метод вырезания узлов, метод сечений) и графический (диаграмма Максвелла-Кремоны). Графический метод более удобен для ферм с наклонными поясами.

Методом вырезания улов удобно пользоваться, когда надо найти усилия во всех стержнях фермы. Он сводится к последовательному рассмотрению условий равновесия сил, сходящихся в каждом из узлов, определению усилий в стержнях фермы. При решении задач способом вырезания узлов необходимо соблюдать следующие правила: первым выделяют тот узел, в котором находится минимальное число стержней с неизвестными усилиями (рисунок 5, узел 1);

внутренние силы в стержнях заменяют внешними и направляют их от узла, предполагая, что все стержни растянуты; определяют усилия в стержнях из условий равновесия. Если при расчете значение усилия получается со знаком «минус», значит, стержень на самом деле сжат; если в узле сходятся 2 стержня и нагрузки в нем нет, то оба стрежня не работают; если в узле сходятся стержня и нагрузка направлена вдоль одного из них, то второй стержень не работает; переходя от узла к узлу, рассматривают аналогично равновесие каждого узла.

Рисунок 5 – Расчетная схема фермы Например, для фермы на рисунке 5 для определения усилий в стержнях 1–2, 1–3 вырезают узел 1, отбрасывают всю ферму со всеми действующими усилиями, кроме узла 1. Внутренние силы в стержнях 1–2 и 1–3 заменяют внешними и направляют их от узла (рисунок 6, а).

Рисунок 6 – Метод вырезания узлов Записывают условия равновесия. Сумма проекций на ось y Знак «минус» показывает, что стержень 1–2 работает на сжатие.

Стержень 1–3 не работает, т. к. Pх N1 3 0.

Для определения усилий в стержнях 2–3, 2–5 вырезают узел 2 (рисунок 6, б).

Так как реакция опоры RA > 0,5P, то стержень 2–3 работает на сжатие.

Стержень 2–5 работает на растяжение.

Правильность всех расчетов подтверждает выполнение условий равновесия в последнем узле 14.

4 Подбор сечения элементов фермы. Основные типы сечений сварных ферм приведены на рисунке 7. Все стержни ферм должны удовлетворять условиям прочности, сжатые элементы дополнительно должны удовлетворять условию устойчивости.

а – для сжатых и растянутых стержней решетки (раскосов, стоек), растянутых поясов;

б – для сжатых и растянутых поясов; в – для сжатых опорных раскосов; г – для стоек, к которым привариваются вертикальные связи; д – трубы различного сечения Рисунок 7 – Виды поперечных сечений элементов легких ферм Подбор сечения растянутых стержней начинают с определения требуемой площади поперечного сечения стержня Fтр, используя формулу [] – допускаемое напряжение, МПа.

При определении усилий в стержнях может возникнуть вариант, когда в некоторых стержнях усилие мало или вовсе отсутствует. В этом случае размеры сечения этих стержней определяют по предельно допустимой гибкости (таблица 7).

Подбор сечения сжатых стержней начинают с определения требуемой площади поперечного сечения стержня Fтр, используя формулу где – коэффициент продольного изгиба.

В формуле 14 два неизвестных: Fтр и, следовательно, задачу необходимо решать методом последовательных приближений. В первом приближении задают гибкость : для поясов, опорных раскосов и стоек = 80 – 100, для остальных сжатых стержней решетки = 100 – 120.

Таблица 7 – Предельные гибкости сжатых и растянутых элементов ферм и связей передающие опорные реакции Коэффициент определют по таблице 8 (например, для значения 0 = по таблице 8 коэффициент продольного изгиба = 0,715). Затем находят Fтр для первого приближения и вычисляют радиусы инерции сечения по формулам где lx и ly – расчетные длины стержня в главных плоскостях.

Чтобы подобрать сечение сжатых элементов ферм, необходимо определить расчетные длины стержней в плоскости фермы lx и расчетные длины сжатых стержней из плоскости фермы ly. Для верхнего пояса lx будет равно расстоянию между центрами узлов lx = l, для опорного раскоса lx = 0,5l1, для остальных сжатых раскосов и стоек lx = 0,8l1 (рисунок 8). Связи по верхним поясам фермы уменьшают расстояние между узлами, закрепленными от горизонтального смещения, поэтому ly = 2d, т. е. расстоянию между закрепленными от горизонтального смещения точками.

Таблица 9 – Рекомендуемая толщина фасонок Наибольшее Толщина фасонок, мм Стержни решетки из уголков прикрепляются к узловым фасонкам угловыми швами «по обушку» и «по перу» (рисунок 9). Величина усилий «по перу» Nп и «по обушку» Nоб определяется по формулам где N – расчетное усилие, Н;

– коэффициент, характеризующий несимметричность сечения, = z0/b (рисунок 9).

Для равнополочных уголков принимают = 0,3; для неравнополочных, прикрепленных узкой полкой, = 0,25; для неравнополочных, прикрепленных широкой полкой, = 0,35.

длин элементов фермы Таблица 10 – Пример подбора сечений стержней Элемент Требуемую длину сварных швов определяют исходя из условия прочности угловых швов на условный срез:

где Kоб, Kп – катеты сварных швов «по обушку» и «по перу», м;

Rwf – расчетное сопротивление углового шва, для стали Ст Rwf = 180 МПа;

– коэффициент формы шва, для ручной дуговой сварки = 0,7; для механизированной сварки = 0,8; для автоматической = 0,9.

Катеты угловых швов не должны превышать минимальной толщины металла полок уголка и фасонок. Результаты расчета сварных швов сводятся в таблицу 11.

Таблица 11 – Результаты расчета сварных швов Номер …и т.д.

4.5 Применение вычислительной техники в проекте Объем применения вычислительной техники для решения задач проектирования согласовывается с руководителем курсового проекта. Как правило, студентам предлагается повести расчеты на основе метода конечных элементов с целью проверки несущей способности сечений или оценки предельных состояний конструкции, связанных с потерей устойчивости.

На рисунке 10 показаны результаты проверки устойчивости сегмента кровли цилиндрического резервуара. При помощи расчетной модели определены толщина сегмента кровли и коэффициент критической продольной нагрузки, при которых прогнозируется потеря устойчивости.

Рисунок 10 – Проверка устойчивости сегмента кровли цилиндрического резервуара 5 Защита проекта Законченный проект студент представляет на рецензию руководителю и при его положительной оценке защищает проект перед комиссией в составе двух–трех преподавателей кафедры. К защите представляется полностью законченный проект, подписанный его автором и руководителем. Общее время, отводимое для приема проекта – 20–25 мин, из которых 8–10 минут предоставляются студенту для доклада, остальное время – для ответа на вопросы.

Запись студентов на защиту производится заблаговременно в соответствии с графиком работы комиссии.

При оценке проекта учитывается: полнота, качество и самостоятельность выполнения пояснительной записки; оформление графической части (соответствие ГОСТам) и расчетно-пояснительной записки (наличие пояснительных схем и эскизов, правильность расчетов, грамотность и стиль изложения); четкость доклада, сделанного студентом, и точность ответов на вопросы; объем и результативность применения вычислительной техники; работа с литературой.

1 Николаев, Г. А. Сварные конструкции. Расчет и проектирование / Г. А.

Николаев, В. А. Винокуров. – М. : Высш. шк., 1990. — 446 с.

2 Николаев, Г. А. Сварные конструкции. Технология изготовления, механизация, автоматизация и контроль качества / Г. А. Николаев, С. А. Куркин.—М. : Высш. шк., 1991. – 398 с.

3 Николаев, Г. А. Сварные конструкции. Технология изготовления, автоматизация производства и проектирование сварных конструкций / Г. А. Николаев, С. А. Куркин, В. А. Винокуров. – М. : Высш. шк., 1983. – 344 с.

4 ГОСТ 5264-80 Ручная дуговая сварка. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. – М. : Изд-во стандартов, 1981. – 33 с.

5 ГОСТ 11534-75 Ручная дуговая сварка. Соединения сварные под острыми и тупыми углами. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.

– М. : Изд-во стандартов, 1977. – 25 с.

6 ГОСТ 14771-76 Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. – М. : Изд-во стандартов, 1977.– 24с.

7 ГОСТ 23518-79 Дуговая сварка в защитных газах. Соединения сварные под острыми и тупыми углами. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. – М. :Изд-во стандартов, 1980. – 24 с.

8 ГОСТ 8713-79 Сварка под флюсом. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. – М. :Изд-во стандартов, 1981. – 24 с.

9 СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия. М. :Изд-во стандартов, 1987. –118 с.

10 СНиП II-23-81 Стальные конструкции. М. :Изд-во стандартов, 1982. –125 с.

11 ТКП 45-5.04-172-2010 Стальные вертикальные цилиндрические резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов. Правила проектирования и устройства.– Минск : Стройтехнорм, 2010. – 148 с.