Одноэтажное производственное каркасное здание

ДК'10.dwg

Минераловатные плиты
гравий втопленный в битум
Двойной досчатый настил
Совмещенный план покрытия 1-13
Одноэтажное производственное каркасное здание
Совмещенный план покрытия 1-13 М:400 Разрез 1-1 М:200
Разрез 2-2 М1:200 Узлы М:20
Ферма М:100 Разрез 3-3 М:50 Узлы М:20
Геометрическая схема фермы
Примечание: 1 Древесина конструкций - сосна
влажность 12% - клееной и 20% - из цельной древесины; 2 Анкерные болты из стали марки ВСт3кп2 с Ry=145 МПа; 3 Бетон класса С1215 c fcd=8 МПа; 4 Сталь класса S240 fyd= 5 Для защиты от коррозии стальные элементы со сварными соединениямии соединениями на высокопрочных болтах покрывать эмалью ПФ-1189; 6 Древесину в месте контакта с металлом покрывать мастикой; 7 Отверстия под болты в металле выполнять на 1мм больше диаметра болта.
Спецификация древесины на ферму Ф-1
Общий объем древесины
дощатый настил без рулонного покрытия
Масса металла по элементам конструкции
Наимено- вание или марка металла ГОСТ
Обозначение и размер профиля
Всего масса древесины

Титульник.doc

Министерство образования Республики Беларусь
Министерство образования и науки Российской Федерации
Белорусско-Российский университет
Кафедра «Строительные конструкции здания и сооружения»
Пояснительная записка
на тему: «Одноэтажное производственное каркасное здание»
по дисциплине: «Конструкции из дерева и пластмасс»

содержание.doc

Порядок расчета и конструирования элементов покрытия
1 Исходные данные. Определение нагрузок и расчетных
сопротивлений древесины ..
2 Конструирование и расчет настилов .
3 Расчет и конструирование прогонов ..
Расчет и конструирование треугольной деревянной фермы
1 Конструктивная схема фермы .
2 Статический расчет фермы
3 Подбор сечений и проверка напряжений в стержнях фермы .
Статический расчет поперечной рамы и подбор сечения колонны ..
1 Определение вертикальных нагрузок на раму .
2 Определение вертикальных нагрузок на раму .
3 Статический расчет рамы
4 Подбор сечения колонны
5 Расчет базы колонны
Обеспечение пространственной жесткости здания при эксплуатации и монтаже..
Мероприятия по защите деревянных конструкций от гниения и возгорания .
Список используемых источников

ДК'10.doc

Курсовой проект предусматривает разработку следующих разделов:
- конструктивное решение покрытия и расчет ограждающих конструкций;
- статический расчет фермы и подбор сечений ее элементов;
- расчет и конструирование узловых сопряжений раскосов фермы с ее поясами;
- статический расчет поперечной рамы и определение расчетных усилий;
- подбор сечения колонны и расчет сопряжения колонны с фундаментом;
- разработка мероприятий по обеспечению долговечности деревянных конструкций в процессе эксплуатации.
Порядок расчета и конструирования элементов покрытия
1 Исходные данные. Определение нагрузок и расчетных сопротивлений древесины
В соответствии с заданием принимаем следующие характеристики материала и расчетные коэффициенты.
Плотность древесины при определении собственной массы конструкции зависит от её породы и классов условий эксплуатации и принимается по [1таблицы 6.1; 6.2]. Принимаю 2 класс условия эксплуатации. Плотность древесины (сосна) () кгм3 500 соответственно.
Временные нагрузки от веса снегового покрова и давлению ветра определяются в зависимости от района по снегу в соответствии с [2 п.5.1 5.7.] Район строительства Архангельск: зона по весу снегового покрова (=15 кПа) III зона по давлению ветра(= 038 кПа).
Расчетные сопротивления древесины сосны в зависимости от сорта и размеров поперечного сечения приведены в [1 таблица 6.5].. Класс длительности нагружения зависит от вида воздействия и принимается по [1 таблица 6.3].Расчетные сопротивления также умножают на коэффициенты условий работы согласно [1 п.6.1.4.4].
Модуль упругости древесины независимо от породы принимается равным: вдоль волокон Е0=104 МПа [1п. 6.1.5.1].Модуль упругости древесины для конструкций находящихся в различных условиях эксплуатации следует определять путём умножения их величин на коэффициент kmod [1 таблица 6.4].
При проектировании конструкций класс ответственности зданий и сооружений учитывают коэффициентом надежности по назначению gn: класса I – 10; класса II – 095; класса III – 09 [2 с.34].
Согласно методических указаний к выполнению курсового проекта высота треугольной фермы (расстояние между осями поясов) в середине пролета должна быть не менее 15 пролета. Принимаю = 210005 = 4200 мм.
Рисунок 1.1 - Схема здания
2 Конструирование и расчет настилов
Настилы под кровлю рассчитываю по двум вариантам сочетания нагрузок:
) собственный вес и снег( расчет на прочность и прогиб);
) собственный вес и сосредоточенный груз 1кН величина которого умножается на коэффициент перегрузки 12(монтажная нагрузка). При двойном настиле (рабочем и защитном направленном под углом к рабочему) сосредоточенный груз следует распределять на ширину 500 мм рабочего настила согласно [1 п.7.4.2.2].
Настилы рассчитываю с учетом их неразрезности в пределах двух пролетов. За расчетный пролет принимаю расстояние между осями прогонов. Предварительно принимаю деревянную основу под рулонную кровлю состоящую из: нижнего разреженного рабочего настила - доски сечением = 15025мм уложенные с зазором 100 мм и верхнего сплошного защитного косого настила толщиной 19 мм (рисунок 1.1). Оба слоя прошиваются гвоздями и ими же крепятся к прогонам.
Рисунок 1.2 – К расчету настила
– косой защитный настил; 2 – рабочий настил; 3 – прогоны; 4 – гвозди
Расчет настила ведем для полосы шириной 1 м. Угол наклона кровли к горизонту =22 =0928.
Определяем нагрузки от собственного веса. Расчеты постоянной нагрузки на 1 м2 горизонтальной проекции крыши и временной нагрузки от снега приведены в табличной форме.
Таблица 1.1 – Нагрузки на 1 м2 двойного настила
Нормативная нагрузка
Коэффициент нагрузки
Защитный настил 001901500100
Рабочий настил 015002500[1(0.15+0.1]100
Снеговая нагрузка =1510
Коэффициент надежности по нагрузке gf принят согласно таблицы 1 [2].Плотность древесины сосны для 2 класса условий эксплуатации принята согласно табл. 6.2 [1].
Для III снегового района S0=15 кНм2 (таблица 4 [2]). Согласно п.5.1 [2] Полное нормативное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия s следует определять по формуле:
где s0 — нормативное значение веса снегового покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности земли принимаемое в соответствии с п. 5.2[2];
— коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие принимаемый в соответствии с пп. 5.3 — 5.6[2].
При GkS0=025215=018308 коэффициент надежности для снеговой нагрузки gf=16 согласно п. 5.7 [2].
Расчет настила ведем на нормальную составляющую действующей нагрузки:
Расчетная схема щита настила – двухпролетная шарнирно опертая неразрезная балка показана на рисунке 1.3.
Рисунок 1.3 – Расчетная схема настила
а - при первом сочетании нагрузок; б – при втором сочетании нагрузок
Подбор сечения рабочего настила при первом сочетании расчетных нагрузок распределенного по всей длине щита. Расчетное сопротивление её изгибу = 13 МПа [1 таблица 6.5].
Расчетный изгибающий момент в сечении при первом сочетании нагрузок:
Требуемый момент сопротивления:
fmd =13 МПа=13 кНсм2 – расчетное сопротивление изгибу элементов прямоугольного сечения из древесины сосны 2-го сорта [1 таблица 6.5];
kmod=095 – коэффициент условий работы для 2 класса условий эксплуатации при учёте полной снеговой нагрузки [1 таблица 6.4];
gn=095 – коэффициент надежности по назначению для II класса ответственности здания [2 с.34].
Определяем толщину настила:
Определяем относительный прогиб настила от нормативной нагрузки по формуле:
где - момент инерции сечения доски рабочего слоя;
=10000- модуль упругости древесины вдоль волокон МПа [1 пп. 6.1.5.1 и 6.1.5.3].
Условие соблюдается.
Статический расчет по второму сочетанию нагрузок (см. рисунок 1.3). Принимаем доски настила шириной 15 см. В этом случае нагрузка передается на две доски и см. Нагрузка от веса настила:
Расчетный изгибающий момент в сечении при втором сочетании нагрузок:
где кН - сосредоточенная нагрузка в соответствии [1 пп. 7.4.2.1 и 7.4.2.2];
Расчетное сопротивление изгибу с учетом кратковременного действия сосредоточенной силы=13012=156 МПа.
где 12 - поправочный коэффициент условий работы для 2 класса условий эксплуатации при учете кратковременной нагрузки[1 п. 6.1.4.1];
Проверяем напряжение для принятой толщины досок по формуле:
Условие выполняется: прочность обеспечена.
3 Расчет и конструирование прогонов
Прогоны предназначены для восприятия нагрузки от кровли и передачи её на основные несущие конструкции. В конструкции кровли запроектированы разрезные брусчатые прогоны. Определим собственный вес прогона по формуле:
где - нормативная полная нагрузка действующая на прогон;
=12 – коэффициент собственного веса прогона длиной 6 м;
- пролет расстояние между несущими конструкциями в осях.
Уточняем значения нагрузок с учетом собственного веса прогона.
Нагрузка от покрытия (таблица 1.1)::
Снеговая нагрузка (таблица 1.1):
Нормальная составляющая нагрузки:
Скатная составляющая воспринимается настилом и передается на коньковые прогоны.
Разрезные прогоны более просты в изготовлении и монтаже но значительно уступают неразрезным по расходу древесины.
Максимальный изгибающий момент вычисляем по формуле:
Рисунок 1.5 – Расчетная схема прогона
Прогоны работают в условиях косого изгиба (рисунок 1.6). Составляющие максимального изгибающего момента действующего в главных плоскостях инерции (относительно осей и ) определяю их по формулам:
Задаемся отношением сторон поперечного сечения прогона = 15.
Рисунок 1.6 – К определению запаса прочности сечения прогона
Требуемая высота сечения:
Требуемая ширина сечения: см.
В соответствии с сортаментом пиломатериалов [1 приложение Б таблица Б.1] принимаем =225 мм и =150см для которого: см2; см2; см4; см4.
Прочность прогона проверяю по формуле:
Наибольшими будут напряжения сжатия в точке и растяжения – в точке т.е. в точках наиболее удаленных от нейтральной линии:
Находим составляющие прогиба по формулам (1.15):
Полный прогиб прогона по формуле:
Расчет и конструирование треугольной деревянной фермы
1 Конструктивная схема фермы
Треугольные фермы применяют как правило для кровель требующих значительного уклона. Отношение высоты фермы в коньке к пролету принимают не менее: для цельнодеревянных ферм 15 пролета. Расчетный пролет фермы по заданию =210 м. Расчетную высоту принимаю = 42 м. В соответствии с заданной схемой фермы длину верхнего пояса разбиваем на четыре равные части а нижней пояс – на две.
2 Статический расчет фермы
Статический расчет заключается в определении усилий действующих в стержнях фермы от всех расчетных нагрузок и их сочетаний. Продольные силы определяются во всех стержнях фермы. Для этого распределенные нагрузки действующие в верхнем поясе условно считают сосредоточенными в его узлах. Затем определяем продольные силы методом вырезания узлов.
Рисунок 2.1 – Расчетная схема фермы
Распределенные нагрузки действующие в верхнем поясе условно считаем сосредоточенными в его узлах. Расчетные нагрузки действующие на ферму делятся на постоянные и временные. Постоянные состоят из веса вышележащих конструкций и собственного веса. Нагрузка от собственного веса определяется по формуле (1.7):
=45 - коэффициент собственного веса фермы в зависимости от её очертания.
Нагрузка на один метр верхнего пояса:
Продольные усилия в стержнях фермы определяем методом вырезания узлов от с последующим умножением единичных усилий на узловую нагрузку. Результаты расчета сведены в таблицу 2.1.
Результаты полученных вычислений заносим в таблицу:
Таблица 2.1 – Усилия в элементах фермы кН
От снеговой нагрузки
3 Подбор сечений и проверка напряжений в стержнях фермы
Подбор сечений стержней производиться с учетом предельно допускаемых их гибкостей. Расчетные длины поясов в плоскости фермы принимают равными расстояниям между их узлами. Ширина сечений стержней клеедеревянных ферм как правило принимается не больше 17 см для того чтобы их можно было склеивать из цельных досок без поперечных стыков.
3.1 Подбор сечения верхнего пояса
Верхний пояс рассчитываем как сжато- изгибаемый элемент на продольное усилие кН и изгибающий момент от поперечной нагрузки определяемый при условии разрезности пояса:
Принимаем верхний пояс в виде клееного бруса прямоугольного поперечного сечения шириной см и высотой см в соответствии с сортаментом пиломатериалов [1 приложение Б таблица Б1] для которого: см2; см3; см4.
Определяем расчетный момент в верхнем поясе:
- эксцентриситет принимаемый в расчетах 0.05.
Проверяем сечение по нормальным напряжениям:
где - коэффициент учета прогиба;
Для обеспечения устойчивости плоской фурмы деформирования верхний пояс раскрепляем поперечными связями через 3 метра:
Определяем прогиб верхнего пояса по формуле:
Условия выполнены. Прочность и устойчивость обеспечены.
3.2 Подбор сечения раскосов
Подбирается и проверяется сечение раскоса. Длина раскоса =5655 мм. В нем действует сжимающая сила кН. Расчетное сопротивление сжатию =15 МПа.
Задаемся размерами поперечного сечения по предельной гибкости .
Минимальное значение высоты поперечного сечения будет равным:
Принимаем сечение =17.5х26.4 см см2.
Проверяем принятое сечение на устойчивость:
3.3 Подбор сечения стойки
Проверяем принятое сечение стойки. Стойка из древесины сосны 2-го сорта длиной = 4200 мм. Стойка нагружена продольной сжимающей силой кН.
3.4 Подбор сечения нижнего пояса
Проверяем принятое сечение нижнего пояса. Пояс из древесины сосны 1-го сорта расчетной длиной =10500мм. Стойка нагружена продольной сжимающей силой кН.
Принимаем сечение =25х50 см см2.
3.5 Расчет и конструирование узлов
3.5.1 В опорном узле верхний пояс упирается в плиту (упорная плита) с рёбрами жёсткости приваренную к вертикальным фасонкам сварного башмака. Снизу фасонки приварены к опорной плите. Толщина фасонок принята 08 см.
Определяем площадь опирания торца верхнего пояса на упорную плиту башмака из условия смятия под действием сжимающей силы Nd=6812 кН:
Аоп=Ndfcm0d=68121238=5502 см2
где fcm0d=fcm0dkхkmodgn=1408105095=147 МПа=1238 кНcм2
здесь fcm0d=14 МПа – расчетное сопротивление сосны смятию вдоль волокон для 2-го сорта для элементов прямоугольного сечения шириной от 011 до 013 м при высоте сечения от 011 до 05 м (табл. 6.5 [1]).
Приняв ширину плиты равной ширине верхнего пояса находим длину плиты: lп=Аопbп=5502115=48 см. Принимаем lп=2h3=22403=160 см. Тогда: scm0d=6812(115160)=037 кНcм2 fcm0d=1238 кНcм2.
Проверяем местную прочность на изгиб упорной плиты. Для этого рассмотрим среднюю часть упорной плиты как прямоугольную плиту свободно опёртую по четырём сторонам которыми являются вертикальные фасонки башмака и рёбра жёсткости упорной плиты. Вертикальные фасонки толщиной по 8 мм располагаем на расстоянии 100 мм в свету для того чтобы между ними могли разместиться два неравнополочных уголка нижнего пояса.
Расчёт ведём по формулам теории упругости приведенным в [6]. Расчётные пролёты опёртой по четырём сторонам плиты (рис. 2.7): a=84+08=92 см b=100+08=108 см.
При ba=10892=117 согласно табл. 4.5 [6] a=0061.
Изгибающий момент в такой плите: Mп=ascm0da2=0061037922=191 кНсм.
Крайние участки упорной плиты рассмотрим как консоли. Расчёт ведём для полосы шириной 1 см. При с=34 см – Мк=scm0dс22=0373422=214 кНсм.
По наибольшему из найденных для двух участков плиты изгибающих моментов определяем требуемую толщину плиты по формуле (4.13) [6]:
где Ry=240 МПа=240 кНсм2 – расчетное сопротивление при изгибе стали класса С245 толщиной от 2 до 20 мм (табл. 51* [5]).
Принимаем tплу=8 мм.
Проверяем общую прочность упорной плиты на изгиб. Расчёт ведём приближенно как расчёт балок таврового сечения (рис. 2.7) пролётом равным расстоянию между осями вертикальных фасонок l=100+08=108 см.
Нагрузка на рассматриваемую полосу плиты: N=O12=68122=3406 кН
где O1=6812 кН – максимальное сжимающее усилие в опорной панели верхнего пояса (табл. 2.4).
Интенсивность нагрузки под торцом элемента верхнего пояса шириной 115 см: q=3406115=296 кНсм.
Изгибающий момент в балке таврового сечения:
М=34061084–29610828=4881 кНсм.
Sx=0880(30+082)+083015=2536 см3
Ix=8008312+80080522+083312+0831382=844 см4
Wmin=Ixy=844288=293 см3.
s=4881293=1666 кНсм2=1666 МПа Rygcgn= 24010095 = 2526 МПа.
Рассчитываем опорную плиту (рис. 2.7). Полагаем что опорная плита башмака опирается на брус из такой же древесины что и ферма. Принимаем размеры опорной плиты bплlпл=1525 см.
Длина опорной плиты lпл принимается исходя из конструктивных требований (табл. 39 [5]) не менее значения:
lплmin=2(bуг+dф+215dот)=2(50+08+313)=194 см
где bуг=50 см – ширина горизонтальной полки уголка нижнего пояса;
dф=08 см – толщина вертикальной фасонки;
dот=13 см – предварительной принятый диаметр отверстия под болт крепящий ферму к колонне.
Длина опорной плиты lпл может корректироваться в соответствии с требованиями п. 7.4.
Максимальная опорная реакция фермы:
FА=05Gdl+0229QdDl=0514520+022971720=4734 кН.
Напряжения смятия под опорной плитой:
scm90d=4734(1525)=0126 кНсм2=126 МПа
fcm90dkхkmodgn=308105095=265 МПа
где fcm90d=3 МПа – расчетное сопротивление сосны 2-го сорта местному смятию поперёк волокон в узловых примыканиях элементов (табл. 6.5 [1]).
Толщину опорной плиты (рис. 2.7) находим из условия изгиба:
— консольного участка Мк=scm90dс22=01267122=318 кНсм;
— среднего участка Mп=scm90da28=012610828=184 кНсм
где: с=71 см – вылет консоли;
а=108 см – пролёт среднего участка.
При ширине расчётной полосы в 1 см находим толщину плиту:
Принимаем tплоп=10 мм.
Находим длину сварных швов крепящих уголки нижнего пояса к вертикальным фасонкам.
Принимаем полуавтоматическую сварку в среде углекислого газа сварочной проволокой Св-08Г2С (ГОСТ 2246-70*) для которой Rwf=215 МПа (табл. 56 [5]). В соответствии с табл. 38* [5] принимаем по обушку катет шва kfо=6 мм а по перу kfп=5 мм. Для выбранных катетов швов при полуавтоматической сварке bf=09 и bz=105 (табл. 34* [5]). Для стали класса С245 Run=370 МПа (табл. 51* [5]) и соответственно Rwz=045Run=045370=1665 МПа. Т.к. Rwzbz=1665105=1748 МПа Rwfbf=21509=1935 МПа расчёт ведём по металлу границы сплавления. Тогда с учётом распределения усилия в первой панели нижнего пояса по перу и обушку (табл. 5.6 [6]) требуемые расчётные длины швов составят:
—по перу: lwп=032И1gn(Rwzbzkfпgс)=
=032603409510(166510505095)=221 см;
—по обушку lwо=068И1gn(Rwzbzkfоgс)=
=068603409510(166510506095)=391 см.
В соответствии с пп. 11.2* 12.8 [5] принимаем по перу и обушку сварные швы минимальной длины т.е. 5 см.
3.5.2 Коньковый узел
Принимаем пластинки-наконечники выполненными из полосовой стали толщиной 12 см и шириной 80 см. Число пластинок принимаем равное двум. Пластинку к раскосам крепим тремя болтами 10 мм и тремя гвоздями 5 мм для исключения возможности возникновения эксцентриситета.
Расчётную несущую способность одного среза нагеля в двухсрезном соединении с обоими внешними элементами из стали согласно п. 9.4.1.14 [1] следует принимать равной меньшему значению из полученных по формулам (9.13) и (9.14) [1]:
где fh1d=8kхkmod=812095=912 МПа – расчётное сопротивление смятию древесины согласно табл. 9.1 и прим. табл. 9.2 [1];
t2=90 см – ширина сечения раскоса;
d=10 см – диаметр нагеля;
=18=18=19219 МПа – расчётное сопротивление изгибу нагеля согласно пп. 9.4.1.11 и 9.4.6.2 [1];
ka=1 – коэффициент учитывающий угол между силой и направлением волокон при a=0° (табл. 9.3 [1]).
Тогда: Rld1=912901010-11=8208 кН
Rldn=19219102(1+06236^2)10-1=2669 кН.
Принимаем Rldmin=268 кН и находим расчётное количество нагелей:
nef=Ndgn(Rldminns)=17.08090(2.6692)=2.8795 шт.
где Nd=17.08 кН – максимальное расчётное усилие в раскосах (табл. 2.4);
ns=2 – количество швов в соединении для одного нагеля.
Таким образом принимаем количество болтов в соединении nn=3 > nef=2.8795 тогда расчётная несущая способность соединения будет равна: Rd=Rldminnsnngn=26923090=17.795 кН > Nd=17.08 кН.
Запас прочности составит: [(17.795–17.08)17.795]100%=4.018%15%.
Проверим прочность на растяжение стальных пластинок-наконечников ослабленных отверстиями под болты и гвозди: dоб=11 см dог=06 см.
Nma Аn=208(8–11–06)=1008 см2;
s=Nmax+Аn=17.081008=1.694 кНсм2=16.94 МПа
Rygcgn=24010510=2520 МПа.
Также проверим устойчивость стальных пластинок-наконечников из плоскости фермы между точками их закрепления узловым болтом и нагелями (рис. 2.10):
Гибкость пластин-наконечников: l=lpi=35(028908)=1514.
s=Nmax–(Аj)=17.08(20880271)=182 кНсм2=182 МПа
Rygcgn=240095090=2400 МПа
где j=0271 – коэффициент продольного изгиба центрально-сжатых элементов при l=1514 и Ry=240 МПа (табл. 72 [5])
Максимальная гибкость пластин-наконечников не превышает предельно допустимой:
l=1514 [lmax]=210–60a=210–6005=180 (табл. 19* [5])
где a=sgn(Rygc)=1822400=008 05 поэтому a=05.
Статический расчет поперечной рамы и подбор сечения колонны
1 Определение вертикальных нагрузок на раму
Расчетная постоянная нагрузка от покрытия включая массу фермы кНм2.
Расчетное давление на колонну от покрытия:
где В=60 м – шаг несущих конструкций.
То же от стенового ограждения с учетом элементов крепления;
где - кНм2 – расчётная нагрузка от стенового ограждения толщиной hп=83 см принятая равной расчётной нагрузки от покрытия;
кНм2 – масса металлических элементов крепления стенового ограждения;
– коэффициент надёжности по нагрузке для металлических конструкций [2 таблица 1];
м – высота здания в свету.
Для определения собственной массы колонны ориентировочно принимаем следующие размеры ее сечения:
Тогда расчетное давление от собственной массы колонны:
где r=500 кгм3 – плотность древесины сосны для 2 класса условий эксплуатации [1таблица 6.2];
gf=11 – коэффициент надежности по нагрузке [1таблица 2]
Расчетное давление на колонну от снеговой нагрузки:
где кНм2 – расчетная снеговая нагрузка на 1 м2 плана покрытия при равномерном распределении по всему пролету.
2 Определение вертикальных нагрузок на раму
Расчетная ветровая распределенная нагрузка на раму по высоте колонны определяется по формуле:
где – коэффициент надежности по ветровой нагрузке [2 п. 6.11].
Определяем расчетную распределенную нагрузку с наветренной стороны (напор):
— на высоте до 5 м кНм
— на высоте от 5 до 70 м кНм
где кНм2 –нормативное значение ветрового давления для III ветрового района [2 таблица 5];
k=05 и k=053 – коэффициенты для типа местности "В" соответственно при z5 м и z=60 м (середина второго участка по высоте колонны) [2 таблица 6];
се=08 – аэродинамический коэффициент с наветренной стороны [2 схема 2 приложение 4].
Определяем расчетную распределенную нагрузку с подветренной стороны (отсос):
где се3–05 – аэродинамический коэффициент с подветренной стороны при Ll=17621=8.3 > 2 и Нl=7021=033 05 [2 схема 2 приложение 4].
Расчетную сосредоточенную ветровую нагрузку Qdw3 на уровне нижнего пояса определим как сумму горизонтальных проекций результирующих нагрузок:
Расчетная сосредоточенная нагрузка с наветренной стороны будет равна:
То же с подветренной стороны:
где cе–0246 – аэродинамический коэффициент [2 схема 2 приложение 4].
3 Статический расчет рамы
Поскольку рама является один раз статически неопределимой системой то определяем значение лишнего неизвестного которым является продольное усилие в ригеле “”. Расчет выполняем для каждого вида загружения:
— от ветровой нагрузки на стены:
где р=5 м – принято для удобства расчёта загружения ветровой нагрузкой;
— от ветровой нагрузки приложенной в уровне ригеля:
— от стенового ограждения:
FХст–9Мст(8Н)–9(–566)(890)=071 кН
здесь м – расстояние между серединой колонны и стенового ограждения.
Примем что положительное значение неизвестного “” направлено от узлов рамы (показано сплошной линией) а изгибающего момента – по часовой стрелке.
Определим изгибающие моменты в заделке рамы.
Поперечная сила в заделке:
где – коэффициент сочетания согласно п. 1.12 [2] учитывающий действие двух кратковременных нагрузок.
4 Подбор сечения колонны
Определяем расчетную длину колонны по формуле:
где – высота сечения обвязочного бруса из условия устойчивости;
где – шаг несущих конструкций;
=200 – предельная гибкость для связей [1 таблица 7.2];
см принимаем =125 см [1 п. 5.3.1.15 приложение Б таблица Б.1];
Проектируем колонну прямоугольного сечения. Ширину сечения определяем (b³10 см) из условия предельной гибкости из плоскости рамы:
где – расчетная длина колонны из плоскости рамы с учётом установки распорки по середине высоты колонны;
=120 – предельная гибкость колонны [1 таблица 7.2];
Принимаем ширину сечения колонны 175 мм.
После назначения ширины сечения колонны надо проверить длину опорной плиты фермы по формуле:
где =175 см – ширина сечения колонны;
=30 см – расстояние от края элемента крепления (уголка) до центра отверстия под болт.
=15 см – предварительно принятый диаметр отверстия под болт крепящий ферму к колонне.
Высоту сечения колонны принимаем из 17 досок толщиной 32 мм с учетом острожки. Тогда высота сечения мм.
Определим геометрические характеристики сечения:
где - площадь опорного сечения;
- площадь одного арматурного стержня;
- коэффициент равный отношению модулей упругости стали и древесины;
МПа – модуль упругости стали;
МПа – модуль упругости древесины;
Момент сопротивления принятого сечения:
Моменты инерции сечения:
Расчетную длину элемента (ld) следует определять умножением его свободной длины (l) на коэффициент (m0) учитывающий закрепление элемента и нагрузку действующую на элемент:
- при одном защемлённом и втором свободном конце стержня в соответствии с [1 таблица 7.1]
=120 согласно [1 таблица 7.2].
где fc0d=15 МПа – расчетное сопротивление сосны сжатию для 2-го сорта для элементов прямоугольного сечения шириной свыше 013 м при высоте сечения от 013 до 05 м [1 таблица 6.5];
kх=1 – переходной коэффициент для сосны учитывающий породу древесины [1 таблица 6.6];
kmod=12 – коэффициент условий работы при учёте кратковременного действия ветровой нагрузки [1 таблица 6.4];
kh=097 – коэффициент учитывающий высоту сечения при h=0544 м > 05 м [1 таблица 6.7];
kd=1– коэффициент учитывающий толщину слоя при d=32 мм [1 таблица 6.8].
Для сжатых и сжато-изогнутых элементов с гибкостью расчет необходимо вести по деформированной схеме. Должно быть выполнено условие:
Ad — расчетная площадь поперечного сечения;
kc — коэффициент продольного изгиба определяемый в зависимости от гибкости элемента [1 п.7.1.4.2].
Проверим сечение сжато-изогнутого элемента по формуле [1 формула 7.31]:
Принятое сечение удовлетворяет условиям прочности.
Проверим принятое сечение на устойчивость плоской формы деформирования [1 формула 7.35]:
n — показатель степени учитывающий раскрепление растянутой кромки из плоскости: n = 2 для элементов без раскрепления растянутой кромки
Исходя из предположения что связи уменьшающие расчётную длину колонн из плоскости изгиба ставятся по середине их высот:
где m0у=10 – при шарнирном закреплении концов стержня из плоскости изгиба ([1 таблица 7.1];
Устойчивость плоской формы деформирования колонны обеспечена.
Проверим сечение колонны на действие скалывающих напряжений при изгибе [1 формула 7.25]:
здесь кН – расчётная поперечная сила;
Ssup – статический момент брутто сдвигаемой части поперечного сечения колонны относительно нейтральной оси;
Isup – момент инерции брутто поперечного сечения колонны относительно нейтральной оси;
bd=b=175 см – расчётная ширина сечения колонны;
Тогда с учётом того что для прямоугольных элементов без ослаблений SsupIsup=15h получаем:
5 Расчет базы колонны
Жёсткое сопряжение колонны с фундаментом (рис. 3.2) осуществляем с помощью анкерных болтов. Анкерные болты прикрепляются к стальной траверсе укладываемой на скошенные торцы специально приклеиваемых по бокам колонны бобышек.
Расчёт сопряжения производим по максимальному растягивающему усилию при действии постоянной нагрузки с коэффициентом надежности по нагрузке gf=09 вместо среднего значения gfср=11 и ветровой нагрузки [2 п. 2.2]:
Определяем расчётный изгибающий момент с учётом его увеличения от действия продольной силы:
Для крепления анкерных болтов по бокам колонны приклеиваем по две доски толщиной 36 мм каждая. Таким образом высота сечения колонны у фундамента составляет hн=720 мм. Тогда напряжения на поверхности фундамента будут составлять:
Для фундамента принимаем бетон класса С1215 с нормативным сопротивлением осевому сжатию fck=120 МПа [3 таблица 6.1]. Расчётное сопротивление бетона на местное сжатие согласно [8 п7.4.1.1]:
где wu – коэффициент учитывающий повышение прочности бетона при смятии который следует определять [3 формула 7.146] принимаем равным 12;
a=085 – коэффициент учитывающий длительное действие нагрузки принимаемый согласно указаниям [3 п.6.1.5.4];
МПа – расчетное сопротивление бетона сжатию согласно указаниям [8 п. 6.1.2.11].
Вычисляем размеры участков эпюры напряжений:
где z=35 см – принятое расстояние от края колонны до оси анкерного болта.
Находим усилие в анкерных болтах:
Требуемая площадь сечения анкерного болта:
где =2 – количество анкерных болтов с одной стороны;
=185 МПа=185 кНсм2 – расчётное сопротивление растяжению анкерных болтов из стали марки 09Г2С по ГОСТ 19281-89 [ГОСТ 24379.1-80]
Принимаем болты диаметром 16 мм с расчётной площадью поперечного сечения Аbn=157 см2 [ГОСТ 24379.0-80].
Траверсу для крепления анкерных болтов рассчитываем как балку.
Из условия размещения анкерных болтов d=16 мм принимаем 706 с Ix=376 см4 и z0=194 см (ГОСТ 8509-93) из стали класса С245.
s=Мgn(bуг–z0)Ix=1447095(70–194)376=185 кНсм2=
=1850 МПа Rygc=24011=264 МПа
где: Ry=240 МПа – расчетное сопротивление изгибу стали класса С245 толщиной от 2 до 20 мм (табл. 51*[5]);
gc=11 – коэффициент условий работы при расчёте стальных конструкций (табл. 6* [5]).
Проверяем прочность клеевого шва от действия усилия Nб. Для этого определяем расчётную несущую способность клеевого шва на скалывание по формуле:
fv0d — расчетное сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон;
— коэффициент равный 025. При обеспечении обжатия площадки скалывания = 0125;
e — плечо сил скалывания принимаемое равным 05h;
h — полная высота поперечного сечения скалываемого элемента;
Av — расчетная площадь скалывания определяемая по формуле
где: fv0d=21 МПа – расчетное сопротивление сосны 2-го сортам местному скалыванию вдоль волокон в клеевых соединениях (табл. 6.5 [1]);
kх=08 – переходной коэффициент для пихты учитывающий породу древесины (табл. 6.6 [1]);
kmod=12 – коэффициент условий работы при учёте кратковременного действия ветровой нагрузки (табл. 6.4 [1]);
kd=098 – коэффициент учитывающий толщину слоя при d=33 мм (табл. 6.8 [1]).
b=0125 – коэффициент при обеспечении обжатия площадки скалывания;
где fvmodd – расчётное среднее по площадке скалывания сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон для клеевого шва определяемое формуле (9.4) [1]:
е=у=4572 см – плечо сил скалывания;
Av=bvlv=17550=875 см2 – расчётная площадь скалывания
здесь bv=b=17.5 см – расчётная ширина участка скалывания.
Nб=32.57 кН Rvd=20125 кН
Прочность клеевого шва обеспечена.
Обеспечение пространственной жесткости здания при эксплуатации и монтаже
В зданиях и сооружениях плоские конструкции соединенные между собой образуют пространственную систему которая должна воспринимать действующие на здание нагрузки. Усилия от нагрузок передаются с одной конструкции на другие и в конечном счете на фундаменты.
Вертикальные и горизонтальные нагрузки действующие на продольные стены здания воспринимаются поперечными плоскими несущими конструкциями в виде двухшарнирных рам. Неизменяемость и устойчивость отдельных плоскостей каркаса обеспечивается постановкой в этих плоскостях связей.
В зависимости от назначения и места расположения связи разделяются на следующие виды:
В покрытиях зданий поперечные связи в виде горизонтальных или наклонных ферм располагают в плоскости верхних поясов или верхних кромок несущих конструкций находящиеся у торцов здания. В длинных зданиях поперечные связи ставят также между торцевыми на расстоянии не более 30 метров.
Связи рассматривают как горизонтально расположенные фермы у которых поясами служат верхние пояса решетчатых или всё сечение сплошных несущих конструкций. Стойками являются прогоны или ребра плит покрытия либо распорки а раскосы выполняют деревянными по распорной или перекрестной схеме или из стальных тяжей по перекрестной схеме.
Продольные вертикальные связи располагают перпендикулярно к несущим конструкциям покрытия или каркасных стен. Они предназначены для сохранения проектного положения плоских несущих конструкций при эксплуатации и монтаже и для обеспечения устойчивости плоских несущих конструкций в плоскости перпендикулярной к их рабочей плоскости. Их устанавливают в середине пролета ферм покрытия.
Продольные связи ставят в стойках рам. Располагают их в тех же отсеках где установлены поперечные связи покрытия. Конструкцию продольных связей принимают в виде простейших ферм а при невозможности установки раскосов в виде сложных балок.
Горизонтальные связи располагаемые в плоскости нижних поясов из профилированной стали для восприятия тормозных усилий от кранов.
Элементы всех видов связей соединяют с несущими конструкциями с помощью стальных крепежных деталей. Оси связей рекомендуется центрировать в узлах крепления к несущим конструкциям. Допускается центровать на кромку несущих конструкций при условии что жесткость элементов связей меньше жесткости пояса несущей конструкции.
Мероприятия по защите деревянных конструкций от гниения и возгорания
Древесина является гигроскопичным материалом способна поглощать влагу и отдавать её в воздушную среду. При этом происходит деформации называемые – разбуханием или усушкой которые вызывают расстройство узлов конструкций растрескивание элементов и их коробление снижение прочности клееных конструкций и т.п. При повышенной влажности (>20%) развиваются грибки которые приводят к биологическому разрушению древесины. Увлажнение древесины снижает и механические свойства. В зданиях и сооружениях при строительстве и эксплуатации возникают много источников увлажнения древесины: начальное и построечное гидрогеологическое от атмосферных осадков от эксплуатационной влаги помещений при мокрых технологических процессах при неисправности трубопроводов конденсационное и др.
Для защиты древесины и древесных материалов предусматривают от увлажнения конструктивные меры и защитную обработку. эти меры применяют при складировании транспортировании и монтаже а также при эксплуатации.
Конструктивные меры осуществляют во всех зданиях и сооружениях независимо от их назначения и срока службы в тех случаях когда конструктивными мерами не удается устранить увлажнение древесины применяют химические меры поверхностной защиты от влаги или от биоразрушения.
Конструкции выполняют открытыми хорошо проветриваемыми доступными для осмотра ремонта и последующей химической обработки. Рекомендуется их располагать таким образом чтобы они находились целиком в пределах отапливаемого помещения либо вне его. Если это невозможно места перехода конструкций из отапливаемого помещения с наружи защищают специальными бандажами. Зазоры между поверхностями конструкций и стенками отверстий утепляют и герметизируют.
Покрытия с деревянными конструкциями проектируют только с наружным отводом атмосферных вод. Устройство парапетов и ендов запрещается.
Ограждающие конструкции отапливаемых зданий должны иметь достаточную термоизоляцию (с холодной стороны). Внутреннее пространство ограждений должно сообщатся с наружным воздухом.
Опорные части несущих конструкций при расположении их в гнёздах каменных стен выполняют открытыми. Заделка наглухо запрещена. Задние стенки гнезд закрывают минеральным утеплителем. Несущую конструкцию изолируют от стены гидроизоляционным материалом. Опорные узлы со стальными башмаками рекомендуется ставить на приставные колонны или пилястры. Изоляционные прокладки или подушки защищают от биоразрушения и изолируют. Поверхность фундамента на которую опираются деревянная конструкция располагают выше пола не менее чем на 15 см а при расположении с наружи не менее чем на 50 см.
Верхнюю поверхность подвесных перекрытий располагают ниже несущей конструкции не менее чем на 15 см.
Стыки между утепленными плитами и панелями утепляют и герметизируют.
Ответственные части конструкции места соприкосновения дерева с камнем и бетоном концы клееных элементов находящихся на открытом воздухе защищают бандажами и специальными составами.
Для защиты от биоразрушений применяют различные составы антисептиков которые подбираются в зависимости от вида конструкции и условия её эксплуатации.
Клееные конструкции защищают от биоразрушений обязательно при относительной влажности воздуха более 60% а также в том случае если в процессе эксплуатации они могут увлажняться.
Рекомендации по защите древесины конструкций от увлажнения и биоразрушения приводятся на рабочих чертежах проекта.
Различают две фазы горения древесины:
Первая – пламенное горение когда газообразные продукты сгорают в воздухе.
Вторая – тление угля на поверхности элементов. Скорость обугливания древесины зависит от количества поступающего кислорода форм и размеров поперечного сечения элементов породы и влажности древесины.
Здания и сооружения по классу огнестойкости подразделяются на 5 степеней которые определяют по пределам огнестойкости основных строительных конструкций и пределам распространения огня т.е. характером и размером повреждений конструкций вследствии их горения.
Пожарная безопасность деревянных конструкций может быть повышена конструктивными и химическими способами. Конструктивные способы заключаются в создании таких решений при которых преграждается распространение огня а предел огнестойкости повышается например устройство противопожарных преград в виде брандмауэрных стен несгораемых зон или преград в покрытиях и перекрытиях установка несгораемых диафрагм в покрытиях площадь между которыми принимают не более 54 м2 заполнение пустот несущих конструкций (фанерных балок коробчатого сечения) минераловатными материалами разделок дымоходов увеличения сечения деревянных клееных элементов и т.д.
С помощью химических мер огнезащиты понижается возгораемость древесины к ним относятся: пропитка или обработка древесины антипиренами огнезащитными красками защита штукатуркой или листовыми несгораемыми материалами.
Список используемых источников
СНБ 5.05.01-2000. Деревянные конструкции Минстройархитектуры РБ.-Мн.: РУП «Минсктиппроект» 2001. – 72 с.
СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия Госстрой СССР. –М.:ЦИТП Госстроя СССР 1988. – 36 с.
СНБ 5.03.01-02. Бетонные и железобетонные конструкции Минстройархитектуры РБ.-Мн.: РУП «Минсктиппроект» 2003. – 139 с.
Методические указания по курсовому проектированию по дисциплине “Конструкции из дерева и пластмасс” для студентов специальности Т.19.01 Брест1999. – 56 с.
Гринь И.М. Строительные конструкции из дерева и синтетических материалов. Проектирование и расчет: Учеб. пособие для строительных вузов и ф-тов. – 2-е изд. перераб. и доп. Киев – Донецк: Вища школа Головное изд-во 1979. – 272 с.