Проектирование каркаса деревянного одноэтажного здания

Титульный.doc

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Ижевский государственный технический университет»
Пояснительная записка к курсовому проекту
по дисциплине: «Конструкции из дерева и пластмасс»
на тему: «Каркас одноэтажного деревянного здания»
Руководитель: ст. преподаватель

Пояснительная записка.doc

1 Задание на проектирование
Запроектировать здание с применением в качестве несущей конструкции клееную трех шарнирную арку и плоскую ограждающую конструкцию. Исходя из условий:
Схема основной несущей конструкции - арка пологого очертания;
Пролет здания - L=28 м;
Шаг основных несущих конструкций - В=32 м;
Длина здания 9В=932=288 м;
Район строительства - г. Пермь;
Характер теплового режима - неотапливаемое;
Условия эксплуатации - нормальная зона;
Материал конструкций - лиственница;
Сорт древесины - I сорт.
Выбор конструкций здания и их компоновка
1 Выбор несущей конструкции
В соответствии с заданием примем дощато-клееную трехшарнирную арку пологого очертания с опиранием на фундамент.
Определим стрелу подъема арки для арки пологого очертания:
Примем стрелу подъема арки f = 5 м.
Рисунок 1 - Трехшарнирная арка пологого очертания
2 Выбор конструкций покрытия
В качестве несущей конструкции покрытия примем щитовую обрешетку из брусьев под кровлю из листов профилированного настила.
Рисунок 2 - Щитовая обрешетка
- обрешетка; 2 - решетка; 3 - арка
Для обрешетки используем брусья 50х50 мм. Конструктивно расстояние от центра бруска до края решетки принимаем равным 025 м а расстояние между центрами брусьев принимаем 05 м.
Уклон примем равным 40 градусов.
Блоки связей располагаем в торцевых секциях здания. Связевую систему покрытия образуют горизонтальные (поперечные) связи в плоскости верхней грани арок и вертикальные связи - распорки между ними. Связи выполняются из стальных уголков так как шаг несущей конструкции превышает 3 м. В плоскости кровли в качестве продольных элементов связей используем прогоны - обрешетины. Ширину панелей поперечных связевых ферм принимаем равной шагу несущих конструкций (рисунок 3).
Рисунок 3 - Устройство связей
- диагональные связи; 2 - вертикальные связевые фермы; 3 - распорки
Геометрический расчет основной несущей конструкции
1 Определим геометрические характеристики
Длина хорды полуарки
Согласно рекомендациям по проектированию деревянных конструкций расстояние от середины хорды до дуги определяем из условия
Радиус кривизны арки:
Угол наклона опорного радиуса к горизонту:
Центральный угол дуги полуарки:
Длина дуги все арки:
Угол наклона хорды полуарки
Вычислим углы наклона касательной к дуге арки в выбранных точках:
Тогда координаты центра оси полуарки:
Угол наклона касательной в точке 5 (коньковый узел арки):
2 Определение координат точек полуарки
Функция дуги полуарки имеет вид
Примем 5 точек на расстоянии вдоль пролета
тогда координаты всех точек полуарки:
Определим угол наклона касательной к дуге арки в выбранных точках:
Рисунок 4 - Расчетная схема арки
Расчет ограждающих конструкций
Щит проектируем из четырех прогонов 50х100 мм выполняющих одновременно роль обрешетин под кровлю которые соединены гвоздями с элементами решетки тремя стойками и двумя диагональными раскосами из брусков сечением 50х50 мм.
Расстановку обрешетин принимаем через 500мм. Принимаем ширину щита 2000 мм. Длину щита назначаем равной расстоянию между осями несущих конструкций за вычетом 1 см на возможную неточность изготовления то есть 3190 мм.
Бруски крайних стоек решетки щита при его укладке прибиваем к верхнему поясу арки гвоздями чем обеспечиваем передачу скатной составляющей нагрузки и устойчивость сжатых поясов несущих конструкций из их плоскости. Чтобы предотвратить скручивание прогонов-обрешетин под действием скатной нагрузки прилагаемой к их верхним кромкам в месте каждого пересечения прогонов со стойками устраиваем упоры из коротких брусков прибиваемых к стойкам двумя гвоздями 4х100 мм.
В таблице 1 вычисляем нагрузку действующую на 1 м обрешетины.
Таблица 1 - Нагрузка на 1 м' обрешетины
Нормативная нагрузка kНм2
Коэффициент надежности по нагрузке
Расчетная нагрузка kHм2
(ориентировочно 50% от веса обрешетин)
Обрешетины щита работают на косой изгиб.
Составляющая нагрузки перпендикулярная скату
Составляющая нагрузки параллельная скату
В плоскости перпендикулярной скату обрешетина работает как разрезная балка с расчетным пролетом где 9 см - длина каждой из опорных поверхностей обрешетины на верхнем поясе несущей конструкции принятом ориентировочно шириной 18 см.
В плоскости ската обрешетину рассматриваем как двухпролетную неразрезную балку с пролетами
так как она на средней стойке щита имеет дополнительную опору.
Максимальные изгибающие моменты в обеих плоскостях возникают посередине обрешетины
Момент сопротивления и момент инерции обрешетины
где - расчетное сопротивление изгибу принимаемое для лиственницы I сорта равным 168 МПа;
Прогиб обрешетины в середине пролета вызывается лишь действием нагрузки перпендикулярной скату. Относительный прогиб
Пренебрегая незначительной величиной нагрузки от собственного веса проверяем прочность обрешетины на действие только монтажной нагрузки приложенной в середине пролета. В этом сечении момент от составляющей сосредоточенного груза в плоскости ската равен нулю. Тогда
где 12 - коэффициент учитывающий кратковременность действия монтажной нагрузки.
Расчет прикрепления элементов щита
Обрешетины вместе с решеткой образуют в плоскости ската ферму которая передает на основную несущую конструкцию скатную составляющую нагрузки.
Полная скатная составляющая от собственного веса и снеговой нагрузки приходящаяся на весь щит
где - число обрешетин.
Часть этой нагрузки собранная примерно с одной четверти площади щита передается непосредственно от прогонов на крайние стойки. Оставшаяся часть скатной составляющей передается через раскосы на упорные бобышки. Усилие воспринимаемое одной бобышкой
Бобышку к стойке крепим гвоздями 4х100 мм. Несущая способность односрезного гвоздя
Необходимое число гвоздей
Щит через крайние стойки крепим к верхнему поясу несущей конструкции гвоздями 4х120 мм. Через эти гвозди скатная составляющая от щита передается поясу.
Необходимое число гвоздей на одну стойку
На среднюю стойку от прогона передается нагрузка равная средней опорной реакции двухпролетной неразрезной балки
В каждое пересечение элемента решетки с прогоном ставим три гвоздя 4х100 мм с .
Расчет несущей конструкции
1 Сбор нагрузок на арку (на 1 м2)
Таблица 2 - Нагрузка на 1 м' арки
Нормативная нагрузка кНм2
Расчетная нагрузка кHм2
Конструкция покрытия
С учетом расположения покрытия по дуге арки:
Собственный вес арки:
Снеговая расчетная равномерно распределенная нагрузка на 1 м2 горизонтальной поверхности
где - коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие;
- расчетное значение веса снегового покрова на 1 м горизонтальной поверхности земли.
Нормативная снеговая нагрузка
Расчетная нагрузка приходящаяся на 1 м горизонтальной поверхности арки от постоянной нагрузки
Расчетная нагрузка приходящаяся на 1 м горизонтальной поверхности арки от снеговой нагрузки
2 Статический расчет арки
Расчет арки производим при двух сочетаниях нагрузки:
) постоянная и снеговая нагрузка равномерно распределенная по всему пролету;
) постоянна нагрузка по всему пролету и снеговая равномерно распределенная на половине пролета.
2.1 Постоянная нагрузка по всему пролету арки
Рисунок 5 - Расчетная схема при расчете на постоянную нагрузку по всему пролету арки
Определим опорные реакции
Рисунок 6 - Эпюра изгибающих моментов от постоянной нагрузки распределенной по всему пролету арки
Рисунок 7 - Эпюра продольных сил от постоянной нагрузки распределенной по всему пролету арки
Рисунок 8 - Эпюра поперечных сил от постоянной нагрузки распределенной по всему пролету арки
2.2 Снеговая нагрузка по всему пролету
Рисунок 9 - Расчетная схема при расчете на снеговую нагрузку по всему пролету арки
Снеговая нагрузка распределяется в средней части арки начиная с точки дуги касательная к которой составляет с горизонтом угол .
Расстояние от левой опоры до этой точки
Рисунок 10 - Эпюра изгибающих моментов от снеговой нагрузки распределенной по всему пролету арки
Рисунок 11 - Эпюра продольных сил от снеговой нагрузки распределенной по всему пролету арки
Рисунок 12 - Эпюра поперечных сил от снеговой нагрузки распределенной по всему пролету арки
2.3 Снеговая нагрузка на левой стороне арки
Рисунок 13 - Расчетная схема при расчете на снеговую нагрузку на левой стороне арки
Рисунок 14 - Эпюра изгибающих моментов от снеговой нагрузки распределенной на левой стороне арки
Рисунок 15 - Эпюра продольных сил от снеговой нагрузки распределенной на левой стороне арки
Рисунок 16 - Эпюра поперечных сил от снеговой нагрузки распределенной на левой стороне арки
2.4 Снеговая нагрузка на правой стороне арки
Рисунок 17 - Расчетная схема при расчете на снеговую нагрузку на правой стороне арки
Рисунок 18 - Эпюра изгибающих моментов от снеговой нагрузки распределенной на правой стороне арки
Рисунок 19 - Эпюра продольных сил от снеговой нагрузки распределенной на правой стороне арки
Рисунок 20 - Эпюра поперечных сил от снеговой нагрузки распределенной на правой стороне арки
2.5 Таблица нагрузок и расчетных усилий
Таблица 3 - Нагрузки и расчетные усилия
Снеговая по всему пролету
Первое сочетание (1 и 2)
Второе сочетание (1 и 3 или 1 и 4)
3 Конструктивный расчет арки
3.1 Компоновка поперечного сечения
Примем арку прямоугольного сечения.
Из условия обеспечения монтажной жесткости ширина сечения арки принимается не менее 14 см.
Примем сечение из досок 15х4 см после острожки - 13х33 см. Материал досок - лиственница первого сорта.
Высота поперечного сечения
Количество досок в сечении
Примем 19 досок тогда окончательно размеры сечения
3.2 Геометрические характеристики сечения
Рассчитаем момент сопротивления сечения
Момент инерции сечения
Статический момент инерции сечения
3.3 Проверка прочности поперечного сечения арки по нормальным напряжениям
Гибкость в плоскости арки
Условие выполняется прочность нормальных сечений обеспечена. Установка дополнительных связей по верхнему поясу арки не требуется.
А. Для первого сочетания нагрузок:
Коэффициент учитывающий дополнительный момент от продольной силы вследствие прогиба элемента
где - продольное усилие в расчетном сечении при первом сочетании нагрузок;
- коэффициент продольного изгиба
- расчет сопротивления древесины сжатию
где - коэффициент для нормальных условий эксплуатации;
- коэффициент учитывающий влияние высоты сечения элемента;
- коэффициент учитывающий толщину слоев клееного элемента;
- коэффициент для гнутых элементов.
Изгибающий момент от действия поперечной и продольной нагрузки
Нормальное напряжение в сечении арки
Б. Для второго сочетания нагрузок
где NII - продольное усилие в расчетном сечении при втором сочетании нагрузок;
- коэффициент продольного изгиба;
- расчетное сопротивление древесины сжатию
Условие выполняется прочность нормальных сечений обеспечена.
3.4 Расчет на устойчивость плоской формы деформирования
При симметричном загружении имеет место сплошное раскрепление растянутой зоны по всей длине арки.
Так как растянутая кромка закреплена из плоскости деформирования связями покрытия то расчет производим по формуле
где т.к. растянутая зона закреплена.
Гибкость участка расчетной длины из плоскости деформирования
где - расчетная длина равная ширине плиты покрытия.
Так как коэффициент продольного изгиба
Коэффициент устойчивости изгибаемого элемента
где - коэффициент зависящий от эпюры изгибающего момента
где - угол в точке 5 в радианах
При симметричном загружении (на первое сочетание нагрузок)
При несимметричном загружении (на второе сочетание нагрузок)
Условия выполняются устойчивость плоской формы деформирования на участках обеспечена.
3.5 Расчет клеевых швов на скалывание
Проверку производим в опорном сечении по формуле
где - статический момент;
- расчетное сопротивление клееных элементов древесины скалыванию с учетом коэффициентов условия работы и толщины слоев клееных элементов.
где - коэффициент учитывающий дополнительный момент от продольной силы вследствие прогиба элемента.
Условие выполняется соединение клеевых швов скалыванию обеспечено.
1 Расчет опорного узла
Рисунок 21 - Опорный узел
Проверим торец стойки на смятие вдоль волокон
Проверим кромку стойки на смятие поперек волокон
где - высота башмака
Конструктивно примем
Вертикальная пластина башмака воспринимающая распор работает на изгиб как балка пролетом равным толщине полуарки частично защемленная на опорах. С учетом пластичного перераспределения максимальный изгибающий момент возникающий в пластине определяем по формуле
Так как в изгибаемых элементах нормальное напряжение
то требуемый момент сопротивления
Этому моменту сопротивления должен быть равен момент сопротивления вертикальной пластины
Тогда толщина башмака
Согласно сортаменту лист проката примем .
Боковые пластины примем той же толщины.
Сжимающее усилие передаются непосредственно на фундамент. Башмак крепится к фундаменту двумя болтами работающими на срез и растяжение. Изгибающий момент который передается на опорную пластину определяем по формуле
Учитывая что усилия передаются на фундамент через свесы опорной плиты то
Несущая способность бетона фундамента (для бетона класса В20) тогда
где - коэффициент надежности по бетону при сжатии.
Анкерные болты примем с площадью сечения брутто и с площадью сечения нетто . Под болты устанавливаем шайбы толщиной .
Растягивающие усилия в болтах
Проверим болт на растяжение
Проверим болт на срез
Условие выполняется прочность болта обеспечена.
Аварийный болт примем того же диаметра. Толщину опорной пластины башмака примем без расчета 10мм.
2 Расчет конькового узла
Рисунок 22 - Расчетная схема конькового узла
Накладку изготовим из бруса сечением .
Болты примем диаметром расположим их в два ряда по высоте.
Расстояние между болтами среднего ряда и между крайними рядами болтов .
Проверим прочность взаимного смятия торцов полуарки под углом к волокнам
Проверим накладки на срез
где - изгибающий момент в накладке
Момент сопротивления
Рассчитаем болты нагельного соединения.
Усилия действующие на болты среднего ряда
Определим несущую способность одного болта на срез.
Усилие воспринимаемое на смятие крайним элементом
где - коэффициент учитывающий уменьшение несущей способности нагеля.
Усилие воспринимаемое на смятие средним элементом
Усилие воспринимаемое на изгиб
Несущая способность нагельного соединения
где - количество болтов в ряду
- количество срезов болта
Условие выполняется несущая способность соединения обеспечена.
Защита деревянных конструкций от биологического поражения и пожарной опасности
С целью предохранения древесины от коробления и растрескивания гниения и возгорания поражения дереворазрушающими насекомыми предпринимаем ряд мероприятий.
Атмосферная сушка: древесину сушим в естественных условиях на воздухе.
Покрытие по древесине фосфатное огнезащитное:
Состав: Полиметафосфат натрия 35-40% гидроокись алюминия 14-16% глина 4-6% Зола-унос ТЭС 14-16% Железный сурик 4-6% тиомочевина 18-22% вода водопроводная 30-34%. Покрытие наносят в три слоя пневмораспылением при помощи насосов типа БНР. Покрытие применяется для огнезащиты конструкций в условиях эксплуатации влажной зоны.
Эмаль ПФ-115.III.Н.Г.71 - У2 голубая:
Покрытие голубой пентафталевой эмалью III класса непрозрачное глянцевое эксплуатирующееся в атмосфере загрязненной газами химических и других производств в условиях умеренного макроклиматического района. Для предотвращения от увлажнения покрытий конструкций эксплуатируемых в помещениях с относительной влажностью более 75%. Ее наносят на высушенное покрытие в два слоя при помощи пистолета-краскораспылителя.
ГОСТ 23790-79 (1985) «Покрытие по древесине фосфатное огнезащитное»;
СНиП 25-80 (с изм. 1988) «Деревянные конструкции»;
СНиП 2.01.07-85* (2003) «Нагрузки и воздействия»;
Ключникова О.Н. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Конструкции из дерева и пластмасс»;
Вдовин В.М. Карпов В.Н. Сборник задач и практические методы их решения по дисциплине «Конструкции из дерева и пластмасс».

Каркас деревянного одноэтажного здания.cdw