Конструирование и расчет деревянных конструкций одноэтажного промышленного здания

Чертеж А1.dwg

Одноэтажное промышленное здание
Схема расположения колонн
герметизирующая мастика
Гидроизоляция-2 слоя рубероида
Фартук из оцинкованной стали
Стальная анкерная пластина
Схемы расположения колонн
связей; Чертеж колонны

Пояснительная записка.doc

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Саратовский Государственный Технический Университет
Кафедра: «Промышленное и гражданское строительство»
Пояснительная записка
к курсовому проекту на тему:
“Конструирование и расчет деревянных
конструкций одноэтажного промышленного здания”
Высота колонны – 55 м;
Длина здания – 42 м;
Район строительства – г. Омск
Покрытие: балки клеедеревянные с параллельными поясами прямоугольного сечения симметрично армированные;
Колонна – клееная прямоугольного сечения.
Конструирование и расчет плиты покрытия .5
1. Конструктивное решение . . ..5
2. Сбор нагрузок .. .5
3. Определение расчетных усилий 6
4. Определение геометрических характеристик сечения 7
5. Проверка прочности плиты 7
Конструирование и расчет балки ..9
1. Конструирование балки . ..9
2. Сбор нагрузок и определение расчетных усилий .. 9
3. Расчет прочности балки . .11
Конструирование и расчет колонны .16
1. Компоновка сечения колонны 16
2. Сбор нагрузок .. .17
3. Определение расчетных усилий . 18
4. Расчет прочности колонны ..19
Список использованных источников .. ..24
Целью курсового проекта является конструирование и расчет конструкций одноэтажного однопролетного промышленного здания с деревянным каркасом для строительства в г. Омск.
Рассматривается проектирование клеефанерной плиты покрытия клеедеревянной балки с параллельными поясами прямоугольного сечения и клеедеревянной колонны прямоугольного сечения.1.Конструирование и расчет плиты покрытия
1.Конструктивное решение
Принимаем номинальные размеры плиты 15х6м. В продольном направлении длину плиты принимаем 5980 мм (зазор 40мм) . Каркас плиты выполняем из сосновых досок 2-го сорта с расчетным сопротивлением скалыванию вдоль волокон при изгибе Rск=16 МПа.
Обшивки плит принимаем из березовой фанеры марки ФСФ толщиной 8 мм. Приняв ширину листов фанеры 1525 мм с учетом обрезки кромок ширину плиты принимаем 1490 мм а поверху – 1470 мм что обеспечивает необходимый зазор между плитами. Расчетные характеристики фанеры принимаем по табл. 10 3 : Rф.с. = 12 МПА; = 65 МПа; Rф.р. = 14 МПа; Rск = 08 МПа. Листы фанеры принимаем длиной 1525 мм стыкуя их в трех местах по длине плиты. Стыки обшивок выполняются «на ус». Для стыковки обшивок и их крепления к ребрам каркаса принимаем фенолорезорциновый клей ФРФ-50.
Высоту ребер каркаса принимаем h = l 35 = 600 35 = 171 см. С учетом сортамента досок и их острожки сечение средних продольных ребер 46170 мм крайних продольных ребер – 28170 мм. Общее число продольных ребер – 4 что обеспечивает расстояние в свету между ребрами менее 50 см. Торцевые и поперечные ребра принимаем составного сечения высотой 170 мм и толщиной 28 мм. Число поперечных ребер – 3 что обеспечивает между ними не более 15 м.
В качестве утеплителя принимаем минераловатные плиты. Толщину утеплителя назначаем по средней суточной температуре воздуха в январе (для Омска tес = –19°С) и принимаем 100 мм. При высоте ребер 170 мм над утеплителем обеспечивается воздушная прослойка для вентиляции. Пароизоляция из полиэтиленовой пленки толщиной 02 мм. Для удержания утеплителя в проектном положении принимаем решетку из брусков 2525 мм которые крепятся гвоздями к ребрам.
- вес продольных ребер
q2’=[(0046×017×598×2+0028×017×598×2)×600×10](6×15)= 01 кНм2;
- вес поперечных ребер
q3”=[(0028×017×044×15)×600×10](6×15)=0021 кНм2;
(общий вес ребер q2Н=0121 кНм2.
q4Н.= 044×125×01×15×200×10(6×15)=018кНм2.
q3Н=2×0008×700×10=01 кНм2;
Расчетное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия определяем в соответствии со СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия». Для Омска: s0=16 кНм2. SН=112 кНм2
Нормативная нагрузка
Коэффициент надежности
Постоянные нагрузки
3.Определение расчетных усилий.
Так как отношение длины плиты к ее ширине больше 2 то плита рассчитывается как однопролетная балка.
Значения погонной нагрузки:
Расчетная длина плиты
Максимальные значения расчетных усилий:
- изгибающий момент
М=[(338×(5915)2]8=147 кН×м;
4.Определение геометрических характеристик сечения
Определение геометрических характеристик сечения. Небольшим наклоном плиты из0за уклона верхнего пояса балки пренебрегаем в запас прочности.
Так как l > 6 × с (598 > 6 × 044) то для учета неравномерности распределения нормальных напряжений по ширине плиты уменьшаем расчетную ширину фанерной обшивки путем введения в расстояние между ребрами коэффициента 09. Получаем:
bрас. = 09 × 3 × с + 4 × bр = 09 × 3 × 441 + 2 × 28 + 2 × 46 = 1339 см.
Материалы входящие в поперечное сечение плиты приводим к фанере обшивки. Для вычисления коэффициента приведения модули упругости древесины и фанеры принимаем согласно СНиП: Едр=10000 МПа Еф=8500 МПа.
Приведенный момент инерции:
Где z-расстояние от нейтральной оси до собственной оси обшивок
Приведенный момент сопротивления:
Wnp=(2×Inp)hn=(2×24120)156=30923см3
5.Проверка прочности плиты
5.1.Проверка верхней обшивки на сжатие с учетом устойчивости при общем изгибе плиты.
При расстоянии между ребрами в свету с=441 см и толщине фанеры dф=08 см имеем отношение:
сdф = 44108 = 551 >50
sс= (расчетное сопротивление фанеры сжатию вдоль волокон).
Недонапряжение составит 4 %.
5.2.Проверка верхней обшивки на местный изгиб между продольными ребрами от сосредоточенного груза.
Момент сопротивления сечения обшивки с расчетной шириной 100 см:
(=12 коэффициент принимаемый по СНиП =65- расчетное сопротивление из плоскости листа фанеры поперек волокон наружных слоев)
Недонапряжение составит 20 %.
5.3.Проверка нижней обшивки на растяжение при общем изгибе плиты.
sр=МWпр=147030923=048кНсм2=48МПа 06×14=84 МПа.
Где 14 МПа- расч. сопротивление растяжению в плоскости листа вдоль наружных слоёв с учетом коэффициента снижения расчетного сопротивления в местах стыковки листов фанеры «на ус» 06
Недонапряжение составит 43 %.
5.4.Проверка клеевого шва между шпонами фанеры на скалывание.
Статический момент обшивки относительно нейтральной оси:
Sф=133.9*08*74=7927 см3
(расчетное сопротивление фанеры скалыванию в плоскости листа фанеры.)
Недонапряжение составит 75 %.
5.5.Проверка продольных ребер на скалывание.
Приведенный статический момент половины сечения относительно нейтральной оси сечения плиты:
(расчетное сопротивление древесины скалыванию)
5.6.Относительный прогиб плиты от нормативной нагрузки.
Конструирование и расчет балки
1.Конструирование балки
Балка клеедеревянная с параллельными поясами прямоугольного сечения симметрично армированная.
Высота поперечного сечения в середине пролета балки:
Для отвода атмосферной влаги балки с параллельными поясами устанавливают наклонно с минимальным уклоном 3% используя колонны разной высоты. В наружных досках устраиваются прорези шириной не менее 5 мм для предотвращения деформации клеевых швов в результате различных деформаций древесины и фанеры при колебаниях влажности.
Ширина сечения определяется из условия обеспечения минимального опирания плит покрытия (по 55 мм) и из соображений устойчивости балок из плоскости изгиба:
bтр.>hтр.6 – для балок с параллельными кромками;
bтр.>157 мм; bтр.=165 мм
Для изготовления клееных балок используются доски хвойных пород толщиной t = 50 мм. Доски перед склеиванием фрезеруют по пластям по 25 35 мм с каждой стороны.
Фактическая толщина досок составит
tф = 50 – 2*25=45 мм
Фактическая высота сечения определяется из условия:
h = 45 * n > 940мм => n=21=> h=945 см
Ширина досок составляет 200 мм (по сортаменту согласно требуемых размеров сечения с учетом суммарных припусков на усушку и механическую обработку). Эти припуски для пиломатериалов шириной от 75 до 100 мм равны в среднем 10 мм; от 125 до 200 мм – 15 мм. Фактическая ширина определяется по формуле:
b = 200-15 > bтр. где
Δi – соответствующий припуск.
Условие выполняется b = 185мм
Доски в балках располагаются по высоте сечения по категориям таким образом чтобы древесины самого высокого качества размещалась в наиболее напряженных зонах (рис. 2).
Причем количество досок в крайних зонах должно быть не менее двух.
2.Сбор нагрузок и определение расчетных усилий
Нормативную нагрузку от собственного веса балки вычисляем по формуле:
Сбор нагрузок на балку
Расчетной схемой балки покрытия является балка на шарнирных опорах нагруженная равномерно распределенной нагрузкой.
Нормативная и расчетная погонная нагрузка:
нормативная – qпн=174*5=87 кНм
Для балок с параллельными поясами наибольший изгибающий момент возникает в середине пролета и его величину можно определить по известной формуле:
M = qп * L2 8 = 1125*1528 = 3164 кНм
3.Расчет прочности балки
3.1.Проверка поясов на действие нормальных напряжений
Напряжения в нижнем поясе:
(расчетное сопротивление древесины первого сорта растяжению)
Напряжения в верхнем поясе (с учетом устойчивости):
(расчетное сопротивление древесины второго сорта сжатию)
3.2.Проверка фанерной стенки в опасном сечении на растяжение
где Rр.ф.– расчетное сопротивление фанеры растяжению в плоскости листа вдоль волокон наружных слоев шпона.
Kф- коэффициент повышения модуля упругости фанеры на 20%
коэффициент учитывающий снижение расчетного сопротивления фанеры стыкованной на «ус» при работе её на изгиб в плоскости листа.
3.3.Проверка фанерной стенки на действие главных растягивающих напряжений
Проверку стенки на действие главных растягивающих напряжений при действии распределенной нагрузки осуществляем в зоне первого от опоры стыка фанерных стенок.
Расстояние от опоры до первого стыка фанерной стенки Х=1200мм
Проверка производится по формуле:
-суммарная толщина фанерных стенок
-высота стенки в выбранном сечении
RФР- расчетное сопротивление фанеры растяжению под к волокнам наружних слоев определяемый по графику рис.17 СНИП II-25-80.
-момент инерции и статический момент приведенные к фанере.
Поперечная сила и изгибающий момент в сечении Х:
Приведенный к фанере статический момент и момент инерции
(по приложению 5 СНиП II-25-80 для семислойной фанеры)
2.4.Проверка местной устойчивости фанерной стенки
Проверка выполняется для сечений в середине опорной панели балки при условии
Предварительно определяем:
-Длина опорной панели (расстояние между ребрами жесткости в свету)
- Расстояние от центра сечения до оси опоры: Х1=43см;
Изгибающий момент и поперечная сила для расчетного сечения
Расчет производится по формуле
где - соотв. нормальные и касательные напряжения в стенке от изгиба на уровне внутренней кромки поясов в расчетном сечении (середина опорной панели балки)
кИ кТ – коэффициенты определяемые по приложению 5 СНиП II-25-80.
- толщина фанерной стенки
hст – высота стенки в расчетном сечении
hрасч – расчетная высота стенки
аhст=88718=555 -> по СНиП коэф. кИ=115; кТ=2
2.5.Проверка фанерных стенок в опорном сечении на срез в уровне нейтральной оси.
кН – максимальная поперечная сила;
статический момент и момент инерции опорного сечения приведенный к фанере;
(расчетное сопротивление фанеры срезу перпендикулярно плоскости листа).
2.6.Проверка фанерных стенок в опорном сечении на скалывание по вертикальным швам между поясами и стенкой.
-расчетное сопротивление фанеры скалыванию в плоскости листа
=08МПа (для семислойной фанеры);
- суммарная длина вертикальных швов между стенкой и поясами
2.7.Проверка прогиба от действия нормативной нагрузки.
Прогиб балки определяем с учетом коэффициента учитывающего влияние переменности высоты сечения и коэффициента учитывающего влияние деформаций сдвига от поперечной силы. При этом вычисляем момент инерции в середине пролета приведенный к древесине и учитываем модуль упругости древесины.
Момент инерции сечения в середине пролета
Прогиб двухскатной балки определяется по формуле:
где fо – прогиб балки постоянного сечения высотой h без учета деформаций сдвига;
h – наибольшая высота сечения;
k – коэффициент учитывающий влияние переменности высоты сечения;
с – коэффициент учитывающий влияние деформаций сдвига от поперечной силы.
Прогиб балки постоянного сечения высотой равной максимальной высоте проектируемой двухскатной балки:
Значение коэффициентов k с (по СНиП II-25-80):
к=015 + 085b=015+085×05=058;
с=154 +38b=154+38×05=173; (где b=)
Проверка выполняется.
Конструирование и расчет колонны
1.Компоновка сечения колонны
Колонна согласно заданию клеёная прямоугольного сечения армированная металлом.
Высота до низа несущих конструкций 55 м шаг колонн – 5м.
Задаемся гибкостью колонны l=100.
Предварительные размеры сечения колонны принимаем
hк=H13=55013=423см-20%=338см; bк=Н29=55029=19см.
Из-за отсутствия досок такой ширины принимаем доски шириной 175мм 200мм с предварительной склейкой их по кромке в щит.
Фактическая ширина с учетом припусков на усушку и механическую обработку составит
bк=(175-15)+(200-15)=345мм.
Для изготовления колонн применяются сосновые доски второго сорта толщиной 40 мм. После двухстороннего фрезерования (острожки) толщина досок составит
С учетом принятой толщины досок высота сечения колонны будет:
Площадь поперечного сечения колонны
А=bкhк =345*363 =1252см2
Площадь поперечного сечения арматурных стержней (принимаем армирование колонны 1%):
(1252*001)4=1254=31см2.
Принимаем арматуру - 4 стержня (ГОСТ 5781-82*) класса А II диаметром 20мм площадь сечения стержня 314 см2
Аарм=4*314=1256 см2.
Коэффициент армирования:
что удовлетворяет условию: «площадь армирования устанавливается в пределах 1-3% площади поперечного сечения».
Нагрузка от собственного веса колонны:
Рс.к.=500*0345*0363*55=3434кг =34кН.
Вертикальные нагрузки действующие на поперечную раму:
- собств. вес колонн
Для Омска (по СниП «Нагрузки и воздействия») нормативное значение ветрового давления (второй ветровой район) – Wо=0.3 кПа
Тип местности – “С” -> коэффициент учитывающий изменение ветрового давления по высоте к(до 5м)=к(10м)=04
Расчётная погонная ветровая нагрузка
для активного давления
w + =Wocbγfk =0.30.85·1.4·0.4=07 кНм
для пассивного давления
w - =Woc'bγfk =0.3(-0.6)5·1.4·0.4=-05 кНм
где Wo- нормативное значение ветрового давления принимаемого
по СНиП 2.01.07-85 в зависимости от района строительства
с – аэродинамический коэффициент принимаемый в соответствии со
с= 0.8 –с наветренной стороны (при НL=5515=0.4)
с'=-0.6 – с заветренной стороны
γf=1.4 – коэффициент надёжности по ветровой нагрузке
k – коэффициент учитывающий изменение ветрового давления по высоте
Ветровая нагрузка на покрытие (сосредоточенная сила в уровне нижнего пояса балки):
W += w +hоп=0.70.6=042 кН
W -= w -hоп=-0.50.6=03кН
3.Определение расчётных усилий
Рама один раз статически неопределимая система. За неизвестное принимаем продольное усилие «Х» в ригеле которое определяется для каждого вида загружения отдельно.
– от ветровой нагрузки приложенной в уровне ригеля
ХW=0.5(W+-W-)=0.5(042-03)=0.06 кН
– от ветровой нагрузки на стены
Изгибающие моменты в заделке стоек (без учёта коэффициента сочетаний):
Продольные силы в заделке стоек
NA=Nпр=(qс.п.+qс.б.+S)*0.5*L*b+Pс.к
NA=Nпр=(0121+017+16)*05*15*5+34=7431кН
Расчётные усилия для расчёта колонны:
4.Расчет прочности колонны
4.1.Расчёт колонны на прочность в плоскости рамы
Расчет армированных колонн производят с учетом совместной работы клееной древесины и стальной арматуры методом приведенных к древесине сечений учитывающим модули упругости древесины и стали. Ослабление пазами под арматуру не учитывается поскольку они заполнены арматурой и клеем. При расчете учитываем то что армирование колонны симметричное.
Расчётная длина колонны в плоскости рамы
lо=2.2*Н=2.2*5.5=121 м
Площадь поперечного сечения колонны Адр=1252см2. Площадь арматуры 10% площади сечения колонны: Аs=1256см2.
Отношение модуля упругости арматуры и дерева:
Приведенная площадь сечения:
Приведенный момент сопротивления сечения:
Гибкость колонны в плоскости рамы:
lх=l0ix= 1210146= 829 > 70
следовательно коэффициент продольного изгиба определяем по формуле:
jх=3000lх2=30008292=04
Для сосновой древесины второго сорта и при принятых размерах поперечного сечения (по табл.3 СНиП II-25-80) находим расчетное сопротивление сжатию Rс=15 МПа. По п.3.2 находим коэффициенты условий работы:
mн=12; mб=095; mсл=1; .
Окончательное значение расчетного сопротивления составит:
Rс= Rс× mн× mб × mсл =15×12×095=171 МПа.
Найдем значение коэффициента x:
Найдем значения изгибающего момента от действия поперечных и продольных нагрузок:
МД=Мx=351607=502кН×м.
Найдем нормальные напряжения и сравним их с расчетным сопротивлением:
т.е. прочность обеспечена с большим запасом оставляем ранее принятые размеры т к оно подбиралось с учетом предельной гибкости.
4.2.Расчет колонны на устойчивость плоской формы деформирования (в плоскости рамы)
Принимаем что распорки по колоннам (в плоскости параллельной наружным стенам) идут только по верху колонн т.е. использована крестовая схема вертикальных связей по колоннам без дополнительных распорок.
расчетная длина колонны из плоскости рамы:
Гибкость колонны из плоскости рамы:
lу=l0ix= l0(0289bк) = 55(0289*0345)=552 70
Коэффициент продольного изгиба:
Для нахождения коэффициента jм предварительно найдем значение коэффициента Кф по табл. прил.4 СНиП II-25-80.
Кф=175-075×d=175 т.к. M в верхней части колонны равен нулю -> d=0
Проверим устойчивость:
т.е. устойчивость в плоскости рамы обеспечена.
4.3.Расчет колонны на устойчивость из плоскости рамы.
Коэффициент продольного изгиба из плоскости рамы определили в предыдущей проверке. Поэтому сразу делаем проверку:
устойчивость колонны из плоскости рамы обеспечена.
4.4.Расчет узла защемления колонны в фундаменте
Принимаем вариант местного крепления колонны с помощью анкерных полос и клееных накладок.
Определим расчетное усилие возникающие в полосе :
В соответствии со СНиП II-25-80 определим значения коэффициентов:
т.к. Эпюра моментов имеет треугольное очертание умножаем x на коэффициент
МД=Мкнx=3516139·072=3516кНм.
Значение относительного эксцентриситета:
-> сечение сжато не по всей площади.
Высота сжатой зоны сечения:
Возникающее растягивающее усилие:
Приняв ширину анкерной полосы равной ширине колонны определим требуемую толщину из условия работы на растяжение. (R=225МПа)
Конструктивно принимаем а=6 мм.
Усилие в наклонных тяжах
Требуемая площадь наклонных тяжей находится из условия работы на растяжение (R=145МПа)
Принимаем тяжи диаметром d=24 мм Аs=452см2.
На поверхность клееной накладки опирается уголковая траверса. Траверса рассчитывается на изгиб как балка опирающаяся на гайки наклонных тяжей и нагруженная реактивным давлением торца накладки.
Конструктивная длина уголка:
05 м – зазор между колонной и тяжем.
Изгибающий момент в уголке:
Требуемый момент сопротивления:
Принимаем равнополочный уголок 90х7: Ix=943 см4 z0=247 см.
Момент сопротивления уголка:
т.е. прочность уголка обеспечена.
Назначим размеры уширения колонны внизу. Расчетное сопротивление древесины смятию под углом 45 ° определим по формуле :
С учетом коэффициента условий работы mн=12 Rсм45=745 МПа.
Площадь смятия древесины под уголком:
Асм=bугbк=009 ·0345=0031 м2.
Принимаем толщину уширения колонны равной двум толщинам досок после фрезерования 2х0033=0066 м что достаточно для размещения уголка 90х7 под углом 45°:
С учетом принятых уширений высота сечения колонны понизу:
Высоту накладок учитывая конструктивное решение узла и расположение тяжей под углом 45° принимаем равной высоте сечения колонны + 150 мм.
lнакл=hкн+015=0759+015=091м.
Проверка прочности на скалывание в плоскости приклейки досок-накладок на которые опираются уголки.
Среднее по площадке скалывания расчетное сопротивление древесины скалыванию определим по формуле:
т.к. скалывание промежуточное
Напряжения скалывания:
Список использованных источников
СНиП II-25-80. Нормы проектирования деревянные конструкции. М: Стройиздат1982;
СНиП 2.01.07-85. Нормы проектирования. Нагрузки и воздействия. М: Стройиздат 1982;
Индустриальные деревянные конструкции. Примеры проектирования: Учеб. пособие для вузов Ю. В. Слицкоухов И. М. Гуськов Л. К. Ермоленко и др.; под ред. Ю. В Слицкоухова.- М.: Стройиздат 1991.- 256с.:ил.
Пшенов А.А. Компоновка конструктивной схемы здания проектирование плит покрытия. Мет. Указания. Сарат. гос. техн. унив. 1995.-25с.
Пшенов А.А. Конструирование и расчёт дощатоклеёных и клеефанерных балок. Мет. указания. Сарат. гос. техн. унив. 1995.-25с.
Пшенов А.А. Конструирование расчёт дощатоклеёных колонн. Мет. указания. Сарат. гос. техн. унив. 1995.-25с.