Конструктивный расчёт деревянной фермы

Чертёж к курсовому № 1.dwg

ДОЩАТЫЙ ЩИТ ДЩ-1 (1:20)
НАИМЕНОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТА
СПЕЦИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЗДАНИЯ
БОЛТ С ГАЙКОЙ И ШАЙБ.
СПЕЦИФИКАЦИЯ ДРЕВЕСИНЫ
Схемы загружения фермы
Узел В (Узел нижнего пояса)
Узел Б (Опорный узел)
Узел А (Коньковый узел)
Расчетная схема стойки
Узел Г (Опорный узел стойки)
Расход основных материалов
клеевого шва принимать равной 0
В опорном узле обязательно наличие
kf=8мм. Сварка производится электро-
Не оговоренные катеты швов принять
Применять древесину влажностью до 12%.
Готовые изделия пропитать антисепти-
ками и гидрофобными лаками.
Для изготовления конструкций применять
клей КРФ-50 по ТУ 6051718-75. Толщину
стойка конструктивные узлы А
Расчетные схемы настила
Расчетная схема обвязочного бруса

Пояснительная записка.docx

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное учреждение
Кафедра инженерных конструкций строительных технологий и материалов
Пояснительная записка к курсовому проекту №1
по дисциплине «Архитектурные конструкции и теория конструирования»
Расчет дощатого щита4
2 Расчет обвязочного бруса8
2 Определение усилий в элементах фермы10
3 Конструктивный расчет элементов фермы13
4 Расчет узлов сегментной фермы18
Расчет деревянной стойки25
1 Сбор нагрузок на раму25
Методы защиты деревянных конструкций31
Список используемой литературы34
Необходимо запроектировать здание пролетом l = 15 м длиной L = 60 м. Высота до низа несущих конструкций h = 38 м. Высота несущих конструкций покрытий f = l6 = 25 м. В качестве несущих конструкций покрытий используются сегментная металлодеревянная ферма. Вид ограждающей конструкции – дощатые щиты. Шаг несущих конструкций принимаем B = 5 м. Здание отапливаемое. Строительство осуществляется в городе Оренбург. Снеговая нормативная нагрузка – 15 кПа (III район). Порода древесины – сосна. Расчетное сопротивление грунта – 15 кгссм2. Расчетная схема фермы показана на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Расчётная схема фермы
Расчет дощатого щита
Ширина щита bщ = 08÷15 м.
Длина щита lщ = B = 5 м.
Радиус фермы R=(l2+4f2)=(225+4625)=125
Принимаем количество щитов nщ = 9
Рисунок 2.1 – Однопролётный дощатый щит
За расчетную схему настила принимается однопролётная балка (см. рисунок 2.2 рисунок 2.3) опорами которой являются обвязочные брусья.
Рисунок 2.2 – Первая схема загружения
Рисунок 2.3 – Вторая схема загружения
Пролет настила ln = 794 мм.
Ширина расчетной полосы 1 м. Нагрузки собраны в таблице 1.
Таблица 1 – Сбор нагрузок на покрытие
Элементы и подсчет нагрузок
Нормативная нагрузка кНм2
Коэффициент надежности по нагрузке γf
Расчетная нагрузка кНм2
Рубероидная трехслойная кровля
Верхний защитный настил
Утеплитель (пенополистирол ГОСТ 15588-70 γ = 40 кНм3) толщиной 100 мм
Нижний защитный настил
Снеговая нормативная нагрузка:
Снеговая расчетная нагрузка:
Расчет настила по двум схемам загружения представлен в таблице 2.
Таблица 2 – Расчет настила
Проверяем по I группе предельных состояний прочность подобранного сечения
Подобранное сечение проверяем по II группе предельных состояний (по деформациям)
2 Расчет обвязочного бруса
Таблица 3 - Нормативные и расчетные нагрузки на 1 м2 покрытия.
Коэффициент надежности по нагрузке
Собственный вес фермы
Собственный вес фермы определяем при kсв=3 из выражения
постоянная: q = 081355 = 407 кНм временная (снег): Sсн = 15755 = 7875 кНм.
Рисунок 3 - Схема фермы к расчету
2 Определение усилий в элементах фермы
Усилия в элементах фермы определяем методом вырезания узлов.
Вычисляем реакции опор:
Узел 2 (=12о; γ=30о)
X=0 O2cos + D1cosγ O1cosα = 0
Y=0 O2sin D1sinγ O1sinα + q = 0
O2 = 27520885–996 = –34 3 кН
Узел 3 (α=30о; α2=45о)
X=0 –D1 cosα + D2 cosα2 – U1 + U2 = 0
Y=0 D1 sinα + D2 cosα2 = 0
U2 = D1 cosα – D2 cosα2 + U1 = 27 520 866+19 46 0 707+9 74 = 47 33 кН
X=0 –U3 – O4 cosα = 0
Y=0 RB + O4 sinα = 0
Узел 6(=12о; γ=30о)
X=0 O3cos – D4cosγ – O4cosα = 0
Y=0 O3sin – D4sinγ – O4sinα = 0
O3 = 0 37 O3 – 6 2 = –12 45 кН
D4 = 12 450416–3 76 = 1 43 кН
Узел 5(α=30о; α2=45о)
X=0 U3 – U2 + D4 cosα D3 cosα2 = 0
U2 = U3 + D4 cosα – D3 cosα2 = 3 25 +1 43 0866 -1 01 0 707 = 3 48 кН
Таблица 4 - Усилия в элементах фермы
3 Конструктивный расчет элементов фермы
Расчет верхнего пояса.
Верхний пояс фермы работает на сжатие с изгибом и выполняется из клееной древесины (см. рисунок 4).
Рисунок 4- Схема фермы для расчета верхнего пояса
Принимаем сечение верхнего пояса bh = 200800 мм
Стрела выгиба панели верхнего пояса:
= 2893 м длина хорды панели верхнего пояса
Радиус кривизны верхнего пояса:
Расчетные усилия в панелях верхнего пояса:
Расчетный момент в панели верхнего пояса:
- момент от внешней нагрузки в панели верхнего пояса
= 933 - 17918 0084 = -572 кН м
= 933 - 55843 0084 = -3757кН м
= 933 – 55843 0084 = -3757 кН м
= 933 – 17918 0084 = -572 кН м
Проверка подобранного сечения верхнего пояса:
На прочность как сжато-изгибаемый элемент:
= 1- - коэффициент учитывающий влияние дополнительного момента от продольной силы
- коэффициент продольного изгиба определяемый в зависимости от гибкости
= + =582373 кН 150910071 = 135945 кН
Проверка на устойчивость
- коэффициент продольного изгиба определяется в зависимости от гибкости
Расчетная длина верхнего пояса из плоскости:
= 0289b = 028902 = 00578 м
= = 562933 кН 135945 кН
Расчет нижнего пояса
Нижний пояс фермы работает на центральное растяжение.
Выполняется из парных уголков соединённых между собой по длине с помощью прокладок.
Подбор сечения нижнего пояса производится по формуле:
= 245 кН расчетное сопротивление стали С285 по ГОСТ 27772-88
= 1 коэффициент условий работы
По ГОСТу на равнополочные уголки подбираем 2 уголка 75х9
= 2 = 21286 = 2572 25
Проверяем подобранное сечение
= = = 236 кН = 245 кН
Расчет элементов решетки
Раскосы работают на центральное сжатие или на центральное растяжение.
Подбор сечения сжатых раскосов ведется из условия обеспечения их устойчивости а растянутых из условия прочности.
Растянутые элементы решетки
По сортаменту на пиломатериалы принимаем брус bh = 200 х 270мм
Проверка на прочность:
= = = 064 кН 0808 = 064 кН
Проверка на гибкость:
Сжатые элементы решетки
Проверка на устойчивость:
4 Расчет узлов сегментной фермы
Коньковый узел (см. рисунок 5) решается без металлического вкладыша. Торцы элементов упираются один в другой.
Рисунок 5- Схема конькового узла
Узловой болт работает на изгиб от сосредоточенной силы R равной равнодействующей усилий в раскосах:
Несущая способность узлового болта определяется из условия изгиба болта и смятия древесины под ним:
d = 80 см – диаметр узлового болта
а = 15 см – толщина более тонкого элемента
с = 20 см – толщина более толстого элемента
= 3 – количество условных поверхностей среза
= (18+002) = 1137 кН
36 кН 8643 = 2592 кН
Несущая способность узлового болта обеспечена.
Высоту накладки находим из условия работы торцов на смятие от продольной силы N:
Требуемая площадь смятия:
Фактическая площадь смятия:
- расчетное сопротивление древесины смятия под углом к направлению волокон определяется по формуле:
= 03 кН- расчетное сопротивление древесины смятию поперек волокон
= cos = 15536 = 1507 кН
Опорный узел (см. рисунок 6) решается с помощью башмака закрытого типа. Башмак состоит из упорной и опорной пластины а также боковых фасонок сваренных между собой.
Рисунок 6 – Схема опорного узла
Nсм - сжимающие усилие в крайней панели верхнего пояса Nсм=-17918 кН.
Расчет швов крепящих нижний пояс фермы к башмаку.
Швы угловые работают на срез и рассчитываются по металлу шва и металлу границы сплавления по обушку и по перу:
= 15517 кН - усилие в крайней панели нижнего пояса
= 07 – уголок равнополочный
= 07 = 1 – для ручной сварки
= 12 = 12 9 = 108 мм
= 045 = 045370 = 1665 МПа=1665
= 1 – коэффициенты условной работы шва
= 1 – коэффициент условной работы конструкции
Расчет торца верхнего пояса на смятие. Прочность торца верхнего пояса на смятие проверяется по формуле:
= 17918 – сжимающее усилие в крайней панели верхнего пояса
– высота сечения с учетом подреза
= = 0224 кН = 14 кН
Упорная пластинка. Работает на изгиб.
Изгибающий момент в упорной пластине:
Требуемый момент сопротивления:
Фактический момент сопротивления:
Требуемая толщина упорной пластины:
Принимаем толщину упорной пластины t = 2 см
Промежуточный узел по нижнему поясу фермы
Промежуточный узел по нижнему поясу (см. рисунок 7) решается с помощью узлового болта и стальных накладок прикрепленных к раскосам на болтах.
Рисунок 7- Схема промежуточного узла по нижнему поясу фермы
Равнодействующая усилий в раскосах:
Из условия обеспечения прочности
Болт работает на изгиб от усилия:
N = U1 – U2= 60693-15517 = 45176 кН
Требуемый момент сопротивления болта:
Стыковая пластина работает на растяжение от усилия:
Расчет швов крепящих стыковые пластины к уголкам нижнего пояса выполняется по формулам:
Nр = U1 =15517 кН - усилие в раскосе U1
Nр = U2 =60693 кН - усилие в раскосе U2
= 12 = 12 9 = 104 мм
расчетное сопротивление
= 045 = 045370 = 1665
Расчет деревянной стойки
1 Сбор нагрузок на раму
Нагрузки действующие на стойку показаны на рисунке 8.
Рисунок 8- Расчетные усилия в стойке
Активная и пассивная составляющая ветрового давления:
где =030 кПа – нормативное значение ветрового давления (для II-го ветрового района);
к=05 – коэффициент учитывающий изменение ветрового давления по высоте (для типа местности В);
са= +08 и со= -06 – аэродинамические коэффициенты;
f=11 – коэффициент надежности по ветровой нагрузке п.6.11 [4];
= 0305 08115 = 066 кНм
= 0305 115 = -05 кНм
От собственного веса покрытия.
= bhh = 02038 38115 = 16 кН
От собственного веса остекления.
От собственного веса стен.
Ригель (затяжку) заменим реакцией Х.
Для арки с затяжкой:
х =- h ( - ) =- 38 (066-05) =- 0114 кН
Колонна работает на сжатие с изгибом. Расчетная схема колонны показана на рисунке 9.
Рисунок 9- Расчетная схема колонны
Определяем расчетные усилия заделки для колонны .
= 30 5 + 59 + 16 + 794 +264 = 1017 кН
Эксцентриситет приложения силы от веса стен и остекления создает разгружающий момент поэтому им пренебрегаем тогда изгибающий момент у основания стойки будет равен:
= = + 0114 38 = 477+043=52 кНм
Поперечная сила у основания стойки:
= h – x = 06638 + 0114 = 262 кН
Проверка прочности по нормальным напряжениям
Проверим принятое сечение стойки на совместное действие нормальной силы и изгибающего момента:
Коэффициент продольного изгиба определяется по формуле:
= + = 0131 15109 = 136
Расчет на устойчивость плоской формы деформирования
Проверка на устойчивость плоской формы деформирования выполняется по формуле:
= 15 мПа – расчетное сопротивление древесины 2 сорта изгибу
= коэффициент продольного изгиба определяется в зависимости от гибкости.
- коэффициент определяемый по формуле:
Проверка прочности клеевых швов на скалывание
Проверка прочности клеевых швов на скалывание выполняется по формуле:
S – статический момент полусечения
J – момент инерции сечения
Прочность клеевых швов обеспечена.
Расчет опорного узла стойки
Жесткое крепление стойки с фундаментом (см. рисунок 10) обеспечивается установкой анкерных болтов работающих на растяжение. Усилие в анкерном болте:
= - = 1017 – 59 = 427 кН
а – расстояние между анкерными болтами:
а = + (1015см) = 38 + 10 = 48 см
= - + = -2135 + 11 9 = -945 кН
Следовательно анкерный болт не работает на растяжение.
Конструктивно принимаем по одному болту диаметром 20 мм с каждой стороны стойки. Горизонтальные болты работают на изгиб.
Так как 0 то конструктивно принимаем 2 болта каждый диаметром 16 мм.
Рисунок 10- Опорный узел стойки
Принимаем размеры подошвы фундамента bl=1215 м. (см. рисунок 11)
Рисунок 11- Размеры фундамента
Краевые давления под подошвой фундамента и находят по формуле:
- момент сопротивления подошвы фундамента относительно оси у:
= + 20175 + = 565 + 35 + 2178 = 11328 кПа 1.2R = 180 кПа
= + 20175 - = 565 + 35 – 2178 = 6972 кПа 0
Условия выполняются. Оставляем принятые размеры подошвы фундамента.
Методы защиты деревянных конструкций
Деревянные конструкции должны надежно работать в течение всех сроков их нормальной эксплуатации установленных СНиПом для капитальных сооружений- 50 лет сельскохозяйственных построек- 20 и временных зданий- 10 лет.
Защита древесины закрытых помещений от увлажнения атмосферными осадками достигается полной водонепроницаемостью кровли выполненной из высококачественных материалов. Защита древесины от увлажнения парами воздуха достигается тем что в помещениях с влажностью 75 % и выделением водяных паров поверхности её изолируется водостойкими лакокрасочными материалами.
Химическая защита древесины необходима в тех случаях когда происходит ее активное увлажнение в процессе эксплуатации конструкции эксплуатируемые на открытом воздухе в земле и т.д. (например конструкции мостов мачт свай и т.п.). Химическая защита таких конструкций от загнивания заключается в пропитке или покрытии их ядовитыми для грибов веществами – антисептиками. Они бывают водорастворимыми и масляными.
Водорастворимые антисептики – это вещества не имеющие цвета и запаха безвредные для людей например фтористый и кремнефтористый натрий. Их используют для защиты древесины в закрытых помещениях где возможно пребывание людей и нет опасности вымывания антисептиков водой.
Маслянистые антисептики представляют собой некоторые минеральные масла – каменноугольные антраценовое сланцевое и др. Они не растворяются в воде очень ядовиты для грибов однако имеют сильный неприятный запах и вредны для здоровья людей. Эти антисептики не вымываются водой и применяются для защиты от гниения конструкций эксплуатируемых на открытом воздухе в земле и над водой. Внесение в древесину антисептиков производится различными методами. Пропитка древесины под давлением наиболее эффективна. При этом древесина влажностью не более 25 % выдерживается в растворе антисептика внутри стального автоклава под высоким давлением в результате чего антисептик проникает в нее на достаточную глубину.
Поверхностное антисептирование заключается в нанесении на поверхность древесины эксплуатируемых конструкций горячего антисептического раствора или густой антисептической пасты.
Конструктивная защита древесины от возгорания заключается в ликвидации условий благоприятных для возникновения и распространения пожара. Для предотвращения распространения огня деревянные строения должны быть разделены на части противопожарными преградами и зонами из огнестойких конструкций. Деревянные ограждающие конструкции не должны иметь сообщающихся полостей с тягой воздуха по которым может распространятся пламя не доступное для тушения. Обыкновенная штукатурка значительно повышает сопротивление деревянных стен и потолков возгоранию.
Химическая защита от возгорания производится в тех случаях когда от ограждающих деревянных конструкций требуется повышенная степень огнестойкости например в помещениях где возможно скопление людей. Она заключается в противопожарных пропитках и окраске.
Для огнезащитной пропитки древесины применяют вещества называемые антипиренами. Эти вещества введенные в древесину при опасном нагреве плавятся или разлагаются покрывая ее огнезащитными пленками или газовыми оболочками препятствующими доступу кислорода к древесине которая при этом может только медленно разлагаться и тлеть не создавая открытого пламени и не распространяя огня.
Список используемой литературы
СНиП II-25-80 Деревянные конструкции Госстрой СССР – М.: Стройиздат 1983.
СНиП II-23-81*. Стальные конструкцииГосстрой СССР. – М.: ЦИТП Госстроя СССР 1990.
СНиП 2.01.07.-85. Нагрузки и воздействияГосстрой СССР. – М.: ЦИТП Госстроя СССР 1988.
Отрешко А.И. Деревянные конструкции. Справочник проектировщика. М: Стройиздат 1957г.
Шишкин В. Е. Примеры расчета конструкций из дерева и пластмасс: Учебное пособие -М.: Стройиздат 1976 г.
Музыченко Л.Н. Архитектурные деревянные конструкции: методические указания к выполнению курсового проекта. – Новокузнецк: изд. центр СибГИУ 2017.