Деревянные конструкции производственного здания

moe1.dwg

Поперечный разрез 1:200
накладки на болтах без клея
Деревянные конструкции производственного здания
асбестоцементный лист толщиной 8 мм
Клеефанерная балка покрытия 1:50
План покрытия здания 1:200
Клеефанерная балка покрытия

дерево.docx

Определение геометрических размеров здания и заданных конструкций
Расчет утепленных панелей с асбестоцементными обшивками
1 Расчет верхней обшивки
2 Расчет нижней обшивки
3 Компоновка поперечного сечения плиты
4 Определение приведенных геометрических характеристик поперечного сечения плиты
5 Сбор нагрузок на плиту покрытия и определение расчетных усилий
6 Проверка прочности плиты
7 Проверка жесткости (прогибов) плиты
8 Расчет элементов соединения обшивок с каркасом
Расчет и конструирование несущей конструкции покрытия
1 Проверка устойчивости плоской формы изгиба
2. Гибкость рамы из плоскости изгиба
3 Стойка рамы проверяется в пяте на скалывание по клеевому шву
4 Расчет башмака гнутой рамы
Список используемой литературы
ГОСТ 18124-75. Листы асбестоцементные плоские. Технические условия. – М.:”Издательство стандартов”1986.
СНиП 2.03.09-85. Нормы проектирования. Асбестоцементные конструкции.Госстрой СССР. – М.:ЦИТП Госстроя СССР1985.
ГОСТ 1147-80*. Шурупы. Общие технические требования. -М.:”Издательство стандартов”1991.
ГОСТ 1050-88. Прокат сортовой калиброванный со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. – М.:” Издательство стандартов ”1989.
Индустриальные деревянные конструкции. Под ред.Ю.В.Слицкоухова. – М.:Стройиздат1991.
ГОСТ 24454-80. Пиломатериалы хвойных пород. Размеры.-М.:”Издательство стандартов”1993.
СНиП 2.01.07-85. Нормы проектирования. Нагрузки и воздействия. Госстрой СССР.-М.:ЦИТП Госстроя СССР1986.
СНиП II-3-79**. Нормы проектирования. Строительная теплотехника. Госстрой СССР.-М.:ЦИТП Госстроя СССР1986.
ГОСТ 9573-82. Плиты теплоизоляционные из минеральной ваты на синтетическом связующем. Технические условия.-М.:”Издательство стандартов”1993.
СНиП II-25-80. Нормы проектирования. Деревянные конструкции. Госстрой СССР.-М.:ЦИТП Госстроя СССР1982.
СНиП II-23-81*. Нормы проектирования. Стальные конструкции. Госстрой СССР.-М.:ЦИТП Госстроя СССР1988.
Определение геометрических размеров здания и
заданных конструкций
(компоновка конструктивной схемы здания)
Требуется рассчитать и запроектировать утеплённую панель покрытия с асбоцементными обшивками длиной l = 3 м для отапливаемого производственного здания в г. Ельце.
Пролёт производственного здания – 27м
шаг несущих конструкций покрытия – 3 м количество пролётов вдоль здания – 8.
Здание одноэтажное расстояние от уровня чистого пола до низа несущей конструкции покрытия – 84 м.
Несущая конструкция покрытия – клеефанерная балка. Тип вертикальных поперечных связей – балочные связи-распорки соединяющие попарно вдоль здания соседние балки.
Основные положения по проектированию утепленных панелей с асбестоцементными обшивками
Для обшивок таких панелей в зависимости от района строительства и условий эксплуатации применяют как прессованные так и непрессованные плоские асбестоцементные листы по ГОСТ [1]. Первые имеют более высокие показатели прочности и плотности и используются в конструкциях зданий возводимых в районах с температурой наружного воздуха наиболее теплых и холодных суток соответственно выше 25 0с и ниже минус 40 0с а также в зданиях с мокрым режимом помещений. Номинальные размеры плоских асбестоцементных листов приведены в приложении I а их физико-механические показатели – в приложении 2. В несущих конструкциях плит согласно СНиП [2] используются листы толщиной не менее 6 мм что связанно с обеспечением их прочности и жесткости при транспортировании и монтаже.
Для каркасов плит применяют деревянные асбестоцементные или железобетонные элементы. Соединение асбестоцементных обшивок с деревянным каркасом выполняют на оцинкованных шурупах в соответствии с ГОСТ[34]. Гвоздевое соединение обшивок с деревянным каркасом не допускается. Установку шурупов производят в заранее рассверливаемые отверстия. Пробивка отверстий запрещается. Диаметр отверстий в обшивках под шурупы выполняют на 1.5+1 мм больше диаметра шурупа. Их число определяют расчетом однако расстояние между осями шурупов принимают не менее 120 мм и не менее 30d а также не более 30ащ где ащ – толщина асбестоцементной обшивки. Расстояние от оси шурупа до края асбестоцементной обшивки должно составлять не менее 4d и не более 10d. В связи с этим толщину крайних продольных ребер каркаса в качестве которых используют пиломатериалы хвойных пород второй категории принимают не менее 8d с тем чтобы ось шурупа проходила по середине их толщины и не происходило расщепление древесины. Так например при диаметре шурупа равном 4 мм продольные ребра можно изготавливать из досок толщиной 40 мм (или после острожки – 34 мм) и более или из брусков склеенных по высоте плиты.
Продольные ребра вместе с обшивками образуют в поперечном направлении коробчатое сечение. По торцам плиты и по ее длине под стыками асбестоцементных листов продольные ребра каркаса связываются на клею с поперечными ребрами которые так же как и продольные могут быть выполнены из досок толщиной 40 мм и более или склеенных по высоте брусков.
Рассматриваемым классом плит перекрывают пролеты от трех до шести метров используя обычно асбестоцементные листы длиной три метра. Ширина таких листов составляет 8001200 и 1500 мм что и обуславливает ширину плиты. Как и в случае клеефанерных плит конструктивная длина панели принимается на 20 мм меньше шага несущих конструкций покрытия а конструктивная ширина – на 10 мм меньше номинальной. Указанные зазоры перед укладкой трехслойного ковра уплотняются теплоизоляционным материалом.
С целью обеспечения одинакового прогиба соседних плит их соединение по длине производят либо с помощью глухих деревянных нагелей которые устанавливают в крайние продольные ребра через 1.5-2 м либо с помощью специально устроенного шпунта из трапециевидных брусков приклеенных к крайним продольным ребрам.
Высота панелей назначается в пределах (135)+ (120) их пролета. Размеры продольных ребер принимаются по ГОСТ[6] с учетом их острожки. Толщина утеплителя определяется исходя из теплотехнического расчета.
Первым этапом расчета является компоновка поперечного сечения плиты назначение ее высоты толщины асбестоцементных обшивок определяемые числа и толщины продольных ребер каркаса. Расчетной схемой как верхней так и нижней обшивок является неразрезная многопролетная (чаще трех пролетная) балка с пролетами равными расстоянию между осями продольных ребер каркаса “а”.
Исходя из необходимости обеспечения прочности обшивки расчет производят на:
-расчетную равномерно распределенную нагрузку от действия собственного веса веса кровли и снега.
Rmt – расчетное сопротивление листового асбестоцемента изгибу поперек листа
i – коэффициенты условия работы
M = 0.1qa2 – расчетный изгибающий момент возникающий на второй опоре кН*м
q = (qнацf+ qнкрf+S0f)Bn
В = 100 см – ширина грузовой площадки
n – коэффициент надежности по назначению (для зданий второго класса к которым относятся производственные n =0.95)
Момент сопротивления верхней обшивки шириной В
ац – толщина верхней обшивки
qнацqнкрS0 – нормативные распределенные по площади нагрузки от собственного веса обшивки веса кровли и снега
f – соответствующие им коэффициенты надежности по нагрузке
qнац = ацац – где ац – плотность листового асбестоцемента по ГОСТ[1]
qнкр – для трехслойного рубероидного ковра qнкр=0.15 кНм
S0 – принимается в зависимости от района строительства по табл.4 СНиП[7]
Из формулы (1) можно получить первое условие расстояния “a”:
- сосредоточенную монтажную нагрузку в середине первого пролета:
где M = 0.2Рнfnа – расчетный изгибающий момент в середине первого пролета
Рн = 1кН – сосредоточенная монтажная нагрузка
f = 1.2 – коэффициент надежности по нагрузке
Из формулы (2) получаем второе условие для расстояния “а”:
С целью обеспечения жесткости обшивки расчет производят на равномерно распределенную нагрузку от действия ее собственного веса веса кровли и снега. Максимальный прогиб возникающий в первом пролете вычисляют как:
Еац – модуль упругости листового асбестоцемента принимаемый по табл.2 СНиП[2]
Iац = B(ац)12 – момент инерции верхней обшивки шириной В
Iац = (1*0.006)12 = 0.0005
[f] = (1120)a – предельно допустимый прогиб по табл.19 СНиП[7]
= 0.2 – коэффициент поперечной деформации асбестоцемента
Третье ограничение для величины “а” будет иметь вид:
Нижняя обшивка работает по аналогичной с верхней обшивкой расчетной схеме на равномерно распределенную нагрузку от действия собственного веса и веса утеплителя. Исходя из необходимости обеспечения ее прочности и жесткости получают еще два условия для величины “a”:
Поперечное сечение плиты должно быть скомпоновано таким образом чтобы фактическое расстояние между осями продольных ребер каркаса афакт не превышало бы максимально допустимого значения обеспечивающего прочность и жесткость обеих обшивок:
Требуемое для выполнения этого условия количество продольных ребер каркаса определяется по формуле:
-для поперечного сечения со шпунтом из трапециевидных брусков:
где b0 = (bпл – 1см)- конструктивная ширина плиты b0 = 1.5 - 0.01 = 1.49 м
бр – толщина шпунта с учетом его острожки (обычно принимают бр = 44 мм)
n = (1.49-0.044)0.34 + 1 = 5.25
Полученное значение n округляем в большую сторону до целого числа n = 6. Толщину продольных ребер каркаса с учетом острожки первоначально принимаем q = 40 – 6 = 34 мм то есть минимально допустимой для шурупов диаметром 3.5-4 мм. Тогда фактическое расстояние между осями продольных ребер каркаса составит:
Это меньше аmax = 0.34 м т.е. условие выполняется. Но такое конструктивное решение не является оптимальным так как из расчетного сечения плиты оказывается исключенной часть нижней асбестоцементной обшивки (0.5афакт = 0.14 м 25ац = 25*0.006 = 0.15 м). Кроме того ширина минераловатных теплоизоляционных плит составляет 50 см что в данном случае при афакт = 0.28м затрудняет их использование. Поэтому увеличиваем толщину обшивок до 8 мм. Тогда а коэффициент д для верхней обшивки может быть вычислен как:
Максимально допустимое расстояние между осями продольных ребер каркаса изменяется следующим образом:
Необходимое число продольных ребер каркаса вычисляем как:
Назначаем четыре продольных ребра их толщину оставляем равной 34 мм. В этом случае фактическое расстояние между осями продольных ребер каркаса составит:
афакт = (1.49-0.044-0.034)4-1 = 0.47 м
что меньше амах = 0.61 м т.е. условие выполняется. Расчетный пролет плиты может быть вычислен как l0 = l-7.5 см = 300 – 7.5 = 2.925 м.
Продольные ребра каркаса изготавливаются из досок шириной 175 мм или с учетом их острожки hД = 175-6 = 169 мм. В этом случае высота плиты будет составлять:
h = hД + ац + ац = 0.169+0.008+0.008 = 0.185 м
что находится в рекомендуемых пределах и близко к минимальному значению равному (135) l0. Поперечные ребра каркаса устанавливают в торцах плиты и в середине пролета. Вычисляем расчетную ширину верхней и нижней обшивок плиты:
-верхняя сжатая обшивка
- нижняя растянутая обшивка
Конструкция асбестоцементной плиты состоит из двух разнородных материалов работающих совместно. Степень участия каждого из них в восприятии внешней нагрузки различна и учитывается специальным коэффициентом m. Подбор сечения каркасных плит производят из условия приближения значения m к его верхней границе m0.
Граничное значение коэффициента m зависит от соотношения жесткости каркаса и обшивок и вычисляется:
где IДIацIац – моменты инерции поперечного сечения каркаса верхней и нижней обшивок относительно нейтральной оси положение которой вычисляют без учета податливости соединений обшивок с каркасом по формуле:
где АДАацАац – площади каркаса верхней и нижней обшивок
SДSацSац – статические моменты каркаса верхней и нижней обшивок относительно оси проходящей через нижнюю грань сечения.
С известной долей приближения можно принять m = m0
АД = n*Д*hД = 4*3.4*16.9 = 229.8 см2
Аац = bрасч*ац = 94.2*0.8 = 75.4 см2
Аац = bрасч*ац = 127.8*0.8 = 102.2 см2
SД = n*hД*Д*(0.5* hД+ац)= 4*3.4*16.9*(0.5*16.9+0.8) = 2126 см3
Sац = bрасч*ац*(h-0.5*ац)= 94.2*0.8*(18.5-0.5*0.8)= 1364 см3
Sац = bрасч*ац*(0.5*ац)= 127.8*0.8*(0.5*0.8)= 40.9 см3
EД = 10000 МПа – модуль упругости древесины ели вдоль волокон наружных слоев принимаемый по п.3.5 СНиП[10]
Вычислим граничное значение коэффициента m:
Значение m в дальнейшем используется для вычисления всех приведенных геометрических характеристик поперечного сечения плиты с учетом податливости соединений обшивок и каркаса. Так положение нейтральной оси и приведенный к древесине момент инерции сечения плиты вычисляются как:
Асбестоцементные плиты опираются на несущие конструкции покрытия аналогично клеефанерным плитам и имеют в связи с этим аналогичную с ними расчетную схему в виде горизонтального стержня с шарнирными опорами загруженного равномерно распределенной нагрузкой от действия собственного веса веса кровли и снега. Соединение через торцевые доски производят не с помощью гвоздей а с помощью шурупов.
Максимальный изгибающий момент (в середине пролета плиты) и максимальную поперечную силу (на опоре) определяют по формуле:
Где l0 – расчетный пролет равный шагу несущих конструкций покрытия (ферм балок) за вычетом ширины площадки опирания на них плит покрытия
q – полная расчетная нагрузка кНм
Ее величина включает в себя нагрузку от веса обшивок кровли каркаса шпунта из брусков (если он есть) утеплителя и снега:
где qнр = Д*hД –нормативная нагрузка от собственного веса ребер каркаса кНм2
Д – плотность древесины принимаемая по приложению 3 СНиП[10]
n - число поперечных ребер каркаса (с учетом торцевых)
Д – толщина поперечных ребер каркаса
f – коэффициенты надежности по нагрузке соответствующие тому или иному ее виду
Значение f для снеговой нагрузки зависит от величины соотношения нормативной постоянной нагрузки (от веса на покрытие) к весу снегового покрова:
qнр = 500*0.169 = 0.845кНм2
[2*0.144+0.15+0.845*(4*0.034+0.044)1.49+0.1(4-1)*(0.47-0.034)1.49+0.845*(4*0.034+0.069)*(4-1)*(0.47-0.034)1..49*2.925]1.0 = 0.67
Следовательно принимаем f для снеговой нагрузки f = 1.8 т.к. 0.8
q=[2*0.144*1.49*1.1+0.15*1.49*1.3+0.845*(4*0.034+0.044)*1.1+0.1*3*(0.47-0.034)*1.2+0.845*(4*0.034+0.069)*3*(0.47-0.034)*1.12.925+1.0*1.49*1.8]*0.95 = 3.38 кНм
Mmax = 3.38*(2.92528 = 3.61 кН*м
Qmax = 3.38*(2.925)2 = 4.94 кН*м
Уточнение значения :
Проверка прочности обшивок производят исходя из условий:
-для верхней сжатой обшивки
- для нижней растянутой обшивки
где RcRt – расчетные сопротивления плоского асбестоцемента сжатию и растяжению вдоль листа по СНиП.
IацIац – моменты инерции верхней и нижней обшивок относительно нейтральной оси положение которой определяется по формуле:
Проверки прочности продольных ребер каркаса производят по нормальным и касательным напряжениям по формулам:
где Rи – расчетное сопротивление древесины каркаса изгибу вдоль волокон
Rск – расчетное сопротивление древесины каркаса скалыванию вдоль волокон
mi – коэффициенты условия работы
SпспрД – приведенный к древесине статический момент сечения относительно нейтральной оси:
Условие выполняется прочность растянутой обшивки обеспечена.
д = 0.5*(1+0.717)*((3.61*1000)5484.8))*(18.5-9-0.8)=4.92 МПа 13 МПа – условие выполняется прочность обеспечена
SпспрД = 94.2*0.8*(18.5-9-0.5*0.8)*0.216*(140001000)+4*3.4*(16.9+0.8-9)22 = 722.1 см3
= (4.94*10*722.16387*4*3.4)= 0.41 1.6 МПа
условие выполняется прочность продольных ребер каркаса по касательным напряжениям обеспечена.
Расчет ведут на нормативную нагрузку:
Прогиб панели не должен превышать предельно допустимой величины:
при l = 6м [f]= (1200)l0 = 0.03 м
qн=[2*0.144*1.49+0.15*1.49+0.845*(4*0.034+0.044)+0.1*(4-1)*(0.47-0.034)+0.845*(4*0.034+0.069)*3*(0.47-0.034)5.925+1*1.49]*0.95 = 2.38 кНм
f = (5*2.38*(5.925)^4)(384*10000*(1000)*6387*(10^-8))= 0.003 0.02 м
Условие выполняется жесткость плиты обеспечена.
Требуемое количество шурупов соединяющих верхнюю и нижнюю обшивки с продольными ребрами каркаса на половине пролета плиты определяется по формуле:
где SацSац – статические моменты верхней и нижней обшивок относительно нейтральной оси сечения
ТS – минимальное расчетное усилие которое может быть воспринято одним элементом соединения (шурупом) из условия смятия материала каркаса (ТS1) смятия материала обшивок (ТS2) или его среза (ТS3):
RНc – нормативное сопротивление материала каркаса сжатию принимаемое по приложению 2 СНиП[10]
ац – толщина обшивки
Rр – расчетное сопротивление смятию плоского асбестоцементного листа по табл.1 СНиП[11]
RbS – расчетное сопротивление стальных шурупов срезу принимаемое по табл.5 СНиП[11]
ЕS – модуль упругости стальных шурупов по табл.5 СНиП[11]
Следовательно ТS = ТS3 = 0.16 кН на половине пролета плиты для соединения асбестоцементных обшивок с продольными ребрами каркаса требуется разместить следующее количество шурупов:
Расчет и конструирование несущей конструкции покрытия (здания)
Конструкция балки – двускатная клеефанерная балка коробчатого сечения с уклоном 5%.
Пролет балки по осям опор l=18м.
расчетная qр=1800 кгсм (18 кНм);
нормативная qн=1380 кгсм (138 кНм).
Материалы: сухие еловые строганные доски многослойная клееная водостойкая фанера ФСФ сорта ВВВ (лиственничная) клей КБ-3.
Расчетные сопротивления древесины:
на сжатие Rс.д. = 130кгссм2 (13 МПа);
на растяжение Rр.д. = 100 кгссм2 (10 МПа);
на изгиб Rи.д. = 130 кгссм2 (13 МПа).
Расчетные сопротивления фанеры:
на сжатие Rс.ф. = 170 кгссм2 (17 МПа);
на растяжение (при mф = 06) Rр.ф. = 54 кгссм2 (54 МПа);
на срез Rср.ф. = 50кгссм2 (5 МПа)
на растяжение под углом 45º Rр.ф.45 = 40 кгссм2 (4 МПа)
на скалывание Rск.ф. = 6 кгссм2 (06 МПа)
Модуль упругости древесины Ед = 105 кгссм2 (104 МПа)
Модуль упругости фанеры Еф = 07*105 кгссм2 (07*104 МПа)
Коэффициент условий работы mф = 06 учитывает ослабление фанеры при стыковании ее «на ус» вдоль волокон наружных швов.
Высоту поперечного сечения балки в середине пролета принимаем равной
hcp =l10=1810=1.8 м. При заданном уклоне кровли высота сечения на опоре будет
Толщину фанерной стенки принимаем равной 001 hcp т.е. =18 см. Ширину поясов принимаем равной bп = 275 см а высоту верхнего и нижнего пояса одинаковой равной 21см (шесть слоев по 3.5 см каждый). Опасное сечение двускатной клеефанерной балки может быть определено по формуле:
Высота балки в расчетном сечении будет равна
а расчетный наибольший момент
Для восприятия этого изгибающего момента необходим момент сопротивления (приведенный к материалу фанерной стенки)
которому соответствует приведенный момент инерции
Необходимую величину момента инерции поясов находим из формулы
Момент инерции деревянных поясов высотой 21 см равен:
Проверка прочности поясов на действие нормальных напряжений при изгибе производится в расчетном сечении с моментом сопротивлении приведенным к материалу деревянных поясов:
Тогда растягивающие (сжимающие) напряжения в поясах от изгиба будут:
а растягивающие напряжения в фанерной стенке
Проверка устойчивости верхнего сжатого пояса балки из плоскости изгиба.
По балкам уложены кровельные панели шириной 150 см прикрепленные в торцах к верхнему поясу откуда его свободная длина из плоскости балки lр=150см а гибкость из плоскости изгиба
которой в соответствии с п. 4.3. СНиП II-25-80 соответствует коэффициент продольного изгиба φу=088. Тогда с учетом этого коэффициента сжимающие напряжения в древесине пояса
т.е. меньше расчетного сопротивления древесины на сжатие Rс.д. = 130кгссм2 (13 МПа) и устойчивость пояса обеспечена.
Проверка фанерной стенки в опорной панели.
Расстояние между осями ребер жесткости в опорной панели а=60см; расчетная высота стенки
И условии а ≤для опорной панели выполняется а так как =94518=52580 то проверка фанерной стенки на местную устойчивость не требуется. Ограничиваемся проверкой прочности стенки на срез и главных растягивающих напряжений в опорном сечении
и для вычисления приведенных к материалу фанерной стенки статического момента и момента инерции сечения найдем:
статический момент половины сечения фанерной стенки
момент инерции фанерной стенки
статический момент одного деревянного пояса
момент инерции деревянных поясов
Тогда статический момент опорного сечения балки приведенный к материалу стенки
а момент инерции опорного сечения балки приведенный к материалу стенки
Для опорного сечения =0 и следовательно при проверке главных растягивающих напряжений α=45º и р.ф.45 = 40 кгссм2 (4 МПа)≤ Rр.ф.45 = 40 кгссм2 (4 МПа).
Необходимо кроме этого проверить прочность клеевого соединения стенки с поясом на сдвиг
Определение прогиба балки в середине пролета.
Приведенная жесткость балки определяется по формуле
где суммарная жесткость сечения в середине пролета равна:
- коэффициент учитывающий влияние переменной высоты балки на ее жесткость.
- коэффициент учитывающий влияние касательных напряжений в фанерной стенке на жесткость балки определяем по формуле
Подставив значения этих коэффициентов получим приведенную жесткость
При которой относительный прогиб балки от нормальной нагрузки будет равен:
т.е. удовлетворяет требованиям п. 6.3. главы СНиП II-25-80.