Проектирование деревянных конструкций одноэтажного промздания

Содержание.docx

Задание на проектирование
Расчет ограждающих и несущих конструкций кровли
1 Расчет рабочего настила
Расчет по предельным состояниям
2 Расчет консольно-балочного прогона
Расчет гнутоклееной трехшарнирной рамы
Определение геометрических размеров
Сбор нагрузок на раму
Статический расчет рамы
Подбор сечений и проверка напряжений
Проверка напряжений при сжатии с изгибом
Проверка устойчивости плоской формы деформирования
Расчет и конструирование узлов трехшарнирной рамы
Список использованной литературы

Титульник.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
СПЕЦИАЛЬНОСТЬ «Промышленное и гражданское строительство»
КАФЕДРА КОНСТРУКЦИИ ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАСС
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ
ДЕРЕВЯННОГО КАРКАСА ОПЗ
Сведения об исполнителе:
Картлыков М.Р. ПГС-5-3
Сведения о научном руководителе:

Замечания к КП.docx

1. По заданию даны консольно-балочные прогоны которые применяются при пролетах до 45м а пролет по заданию равен 5м.
Прогибы в консольно-балочных прогонах вычисляют по формуле:
а в пояснительной записке рассчитано как для разрезных прогонов:
поэтому прогибы завышены и следовательно сечение прогона выбрано неэкономично. Скорее всего пройдет сечение прогона 125х175.
Чертежи реально не соответствуют записке т.к. получены изменением значений размеров готового чертежа.
При расчете накладок в коньковом узле стоит попробовать взять толщину накладки 100мм (вместо 75) а диаметр болтов – 16мм (вместо 14) тогда возможно вместо двух накладок с каждой стороны пройдет одна накладка.

Графика А1.dwg

Кафедра Конструкции из дерева и пластмасс
Проектирование несущих конструкций деревянного каркаса ОПЗ
План расположения рам
рабочего и защитного настила
Схема фахверка М 1:200
Геометрическая схема рамы РД-1 М 1:50
-3 М 1:10 (в коньке)
-4 М 1:10 (в гнутой части)
-5 М 1:10 (на опоре)
Прогон 150х175 с шагом 1400 мм
Пароизоляция Strotex 110 Pi
Утеплитель ROCKWOOL Light MAT 150 мм
Рабочая доска 125х32 с шагом 325 мм
Защитный настил (сплошной) 125х25
Мягкая черепица Ruflex
Бетонная подготовка 300 мм
Асфальтобетон 150 мм
Размеры сечений гнутоклееной рамы
Подшивка из досок 25 мм
Анкерные болты из стали класса 4.6 диаметром d=16мм.
Между древесиной и металлом фундаментного
башмака предусмотреть гидроизоляцию из 2-х слоев рубероида.
Материал рамы - древесина второго сорта
Материал металлических деталей сталь С-235
Бетон фундамента класса В15
Гидроизоляция 2 слоя рубероида
Спецификация древесины на 1 раму
Спецификация металла на 1 раму
Удельный вес древесины (сосна) принят=520 кгм³
Удельный вес стали=7

Пояснилка.docx

1.Задание на проектирование
Таблица 1. Значения исходных данных.
Наименование характеристики
Схема несущих конструкций
Шаг несущих конструкций м
Тип ограждающих конструкций
Прогоны консольно-балочные
Высота рамы в карнизном узле м
В качестве утеплителя применяем утеплитель из базальтового волокна ROCKWOOL Light MAT размером 600÷1000 мм.
Рис. 1. Схема расположения и состав покрытия
Расчет ограждающих и несущих конструкций кровли
Принимаем рабочий настил из досок 125х32мм II-го сорта согласно сортамента пиломатериалов (ГОСТ 8486-86*Е). Шаг прогонов 14м.
1. Расчет рабочего настила
Сбор нагрузок на рабочий настил
Рабочий настил предназначен для укладки по прогонам.
Равномерно распределенная нагрузка.
Таблица 2. Определение нормативных и расчетных нагрузок на 1 м2.
Наименование нагрузки
Расчетная нагрузка кНм2
Защитный настил (сплошной) 125х25
Рабочая доска –125х32 мм с шагом в осях 325 мм
Итого постоянная нагрузка
Итого полная нагрузка
Расчётное значение снеговой нагрузки принимается по [6] а нормативное значение принимается умножением на коэффициент 07.
Сосредоточенная сила.
Р = 1кН. Коэффициент надежности по нагрузке
Расчетное значение сосредоточенной силы:
При двойном настиле (рабочем и защитном направленным под углом к рабочему) сосредоточенный груз следует распределять на ширину 500 мм рабочего настила. То есть на 1 погонный метр рабочего настила распределенную нагрузку собираем с ширины 500 мм.
постоянная + временная
- нормативная: qн = 111·05 = 0555 кНм
- расчетная: qр = 149·05 = 0745 кНм
- расчетная: qр = 0291·05 = 0145 кНм
Расчетная схема рабочего настила
Расчет настила ведем как балки по двухпролетной схеме. Расстояние между опорами равно шагу прогонов L = 14м. Настил рассчитываем на два сочетания нагрузок.
Постоянная + снеговая.
Постоянная + сосредоточенная сила (Р = 12 кН)
Расчет по первому предельному состоянию.
Проверка рабочего настила на прочность выполняется по формуле:
где М – максимальный изгибающий момент;
W – момент сопротивления сечения;
Rи – расчетное сопротивление древесины изгибу;
mН – 12 – коэффициент учитывающий кратковременность действия сосредоточенной нагрузки (принимается для второго сочетания нагрузок).
При первом сочетании нагрузок:
При втором сочетании нагрузок:
Момент сопротивления доски рабочего настила:
где k - число досок укладываемых на ширине настила 05м.
с - шаг рабочего настила b – ширина досок рабочего настила.
Расчет прочности производим по максимальному моменту.
Запас по прочности составляет:
т.е. условие экономичности сечения выполняется.
Расчет по второму предельному состоянию.
Проверка рабочего настила на прогиб выполняется только для первого сочетания нагрузок и заключается в сравнении прогибов с нормативными.
где – расчетный прогиб конструкции;
– предельный изгиб по табл. 19 [7].
Прогиб настила равен:
Предельные значения прогибов для пролета 14м определим интерполируя значения таблицы 19 [7]:
при пролете и при пролете .
2. Расчет консольно-балочного прогона
Рис. 2. Общий вид и расчетная схема консольно-балочного прогона решенного по равнопрогибной схеме.
Принимаем сечение прогона из бруса размером b×h = 150х175мм II-го сорта согласно сортаменту пиломатериалов [9]. Шаг прогонов 14м.
Таблица 3. Сбор нагрузок на прогоны
мягкая черепица RUFLEX 8 кгм
защитный настил (сплошной) – доска 125х25 мм
Рабочая доска 125х32 мм через 325 мм bс
Утеплитель ROCKWOOL Light MAT кгм3 толщиной 150 мм
Пароизоляция - Strotex 110 Pi
Подшивка из досок 25 мм
где ;- ширина сечения рабочего настила и прогона;
-высота сечения прогона;
-объёмный вес древесины;
Расчётное значение снеговой нагрузки принимается по [6] а нормативное значение снеговой нагрузки принимается умножением расчётного значения на коэффициент 07.
Полная нагрузка на 1 погонный метр при шаге прогонов B=14м равна:
- нормативная: qн = 129·14 = 181 кНм
- расчетная: qр = 179·14 = 251 кНм
Таблица 4. Геометрические характеристики сечения (по программе «Декор»).
Площадь поперечного сечения
Момент сопротивления Wx
Момент сопротивления Wy
Расчетное сопротивление древесины изгибу Rи
Модуль упругости древесины Е
Расчет по первому предельному состоянию
Рис. 3. К расчету прогона на косой изгиб
Проверка прогона на прочность выполняется по формуле:
Расчетная нагрузка и изгибающий момент при
т.е. сечение подобрано неэкономично однако сечение меньшего размера не удовлетворяет требованиям жесткости.
Проверка прогона на прогиб.
Относительный прогиб прогона:
- предельный прогиб прогона по табл. 19 [7]; - при пролете L=5м полученный по интерполяции значений табл.19 [7]:
при пролёте L=3м и при пролёте L=6м.
Нормативная нагрузка при α = 24°:
Тогда величина относительного прогиба будет равна:
т.е. удовлетворяет требованиям по величине относительного прогиба.
Окончательно принимаем сечение прогона b×h= 150×175мм.
Расчет гнутоклееной трёхшарнирной рамы
Пролет рамы 27 м шаг 5 м. Ограждающие конструкции покрытия – мягкая черепица RUFLEX 8 кгм2. Район строительства – II. Здание по степени ответственности относится к II классу (γn = 10 [10]). Температурно-влажностные условия эксплуатации 1. Все конструкции заводского изготовления. Материал – древесина из сосны 2-го сорта металлические конструкции – сталь марки С235. Склеивание рам – клеем ФРФ-50к.
Рис. 4. Схема поперечной рамы.
Геометрические размеры
Расчетный пролет рамы составляет 266 м. Уклон ригеля 1:225 т.е.
угол наклона ригеля = arctg = 24;
Высота рамы в коньке f = 119 м (высота по оси рамы).
Высота стойки от верха фундамента до точки пересечения касательных по осям стойки и ригеля по табл. 5.1[2] не должна превышать 6м.
По условиям гнутья толщина досок после фрезеровки должна приниматься не более 16 - 25 см. Принимаем доски толщиной после фрезеровки 19 см. Радиус гнутой части принимаем равным:
= где - толщина досок.
Угол в карнизной гнутой части между осями ригеля и стойки:
Максимальный изгибающий момент будет в среднем сечении гнутой части рамы который является биссектрисой этого угла тогда получим:
Центральный угол гнутой части рамы в градусах и радианах будет равен:
= (90 - )2 = (90 – 57)2 = 332 = 66;
= 90 - = 90 - 24 = 66;
Длина гнутой части будет равна: lгн = rрад = 3115 = 345 м.
Длина стойки от опоры до начала гнутой части
Длину стойки можно определить иначе (если известно ):
lпр = lст + lгн + lp = 403 + 345 + 1261 = 2009 м.
На основании произведенных вычислений строим расчетную схему гнутоклееной рамы.
Сбор нагрузок на раму
Нагрузки от покрытия (постоянная нагрузка) - принимаем по предварительно выполненным расчетам ограждающих конструкций.
нормативнаяgн = 0451 кНм2;
расчетнаяgр = 0585 кНм2.
Собственный вес рамы определяем из выражения:
Sн – нормативная снеговая нагрузка;
Ксв – коэффициент собственного веса по табл. 5.1[2];
l – расчетный пролет рамы.
Таблица 5. Значения нагрузок действующих на несущую раму.
Нормативная нагрузка кНм2
Коэффициент перегрузки
Собственный вес покрытия
gн = 04515сos = 2467
Собственный вес рамы
Статический расчет рамы
Максимальные усилия в гнутой части рамы возникают при действии равномерно распределенной нагрузки g = 1055 кНм по пролету. При этом опорные реакции будут определяться по следующим формулам:
Максимальный изгибающий момент в раме возникает в центральном сечении гнутой части координаты которой определяют по зависимостям:
х = r(1 – cos1) = 3(1 – 0839) = 0483 м;
y = lcт + rsin1 =403+ 30545 = 5665 м.
Определим изгибающий момент М и продольную силу N в этом сечении:
N = (A – qx)sin + Hcos = (14032 – 10550483)0837 + 7841055 = 1559 кН.
Подбор сечений и проверка напряжений
В криволинейном сечении Мmax = 378 кНм а продольная сила N = 156 кН.
Расчетное сопротивление изгибу в соответствии с табл. 3 [7] для досок осны II сорта при ширине b=18 см (принимаем доски шириной b=20 см до фрезерования) равно 15 МПа. Умножаем его на коэффициент условий работы mв = 1 (табл. 5 [7]) и делим на коэффициент надежности по назначению (ответственности) сооружения (n = 10 [10]) получим:
= 150 МПа = 15 кНсм2.
Требуемую высоту сечения hтр приближенно определим преобразовав формулу проверки сечения на прочность по величине изгибающего момента а наличие продольной силы учтем введением коэффициента 06.
Принимаем высоту сечения несколько больше требуемой при этом высота сечения должна состоять из целого числа досок т.е. принимаем 72 слоев толщиной после строжки = 19 мм тогда:
hгн = 7219 = 1368 мм > 1180 мм.
Высоту сечения ригеля в коньке принимаем из условия:
hк > 03 hгн = 031368 = 4104 мм
Принимаем из 25 слоев досок толщиной =19 мм: hк = 2519 = 475 мм.
Высоту сечения стойки рамы у опоры принимаем из условия
hоп > 04 hгн = 041368 = 5472 мм
Принимаем из 32 слоев досок толщиной =19 мм: Hоп = 3219 =608 мм.
Геометрические характеристики принятого сечения криволинейной части рамы:
Fрасч = bhгн = 0181368 = 246210-3 м2;
В соответствии с п. 5.2[7] к расчетным сопротивлениям принимаются следующие коэффициенты условий работы:
mсл = 11 (табл. 10);
mгн = 0812 (табл. 11 для Rc и Rи);
mгн = 0612 (табл. 11 для Rp).
Проверка напряжений при сжатии с изгибом
Изгибающий момент действующий в центре сечения находится на расстоянии от расчетной оси равном:
hст - высота сечения стойки рамы у опоры;
hгн - высота сечения криволинейной части рамы.
Расчетные сопротивления древесины сосны 2 сорта с учетом всех коэффициентов условий работы определим по формулам:
где 9 МПа – расчетное сопротивление растяжению по табл. 3 [7].
Расчетная длина полурамы lпр = 2009 м радиус инерции сечения
i = 02891368 = 0395352 тогда гибкость λ = lпр i = 20090395352= 5082.
Для элементов переменного по высоте сечения коэффициент следует умножить на коэффициент kжN принимаемый по табл. Е.1 прил. Е [7].
kжN = 066 + 034 = 066 + 0340444 = 081 где
- отношение высоты сечения верхней части стойки к нижней:
Коэффициент определяем по формуле:
если произведение φkжN>1 то принимаем φkжN=1.
В нашем случае имеем kжN = 116081 = 094.
Далее следует определить коэффициент учитывающий дополнительный момент от продольной силы вследствие прогиба элемента:
где N0 = H – усилие в коньковом шарнире.
Изгибающий момент от действия продольных и поперечных нагрузок определяемый по деформированной схеме будет равен:
Для криволинейного участка при отношении
следует в соответствии с п. 6.17 СП [7] проверять прочность для наружной и внутренней кромок по формуле (30) того же СП вводя коэффициенты krвн для внутренней и krнар для наружной кромок к Wрасч:
Расчетный момент сопротивления с учетом влияния кривизны составит:
для внутренней кромки: Wв = Wрасчkrв = 56110-30837 = 469610-3 м3;
для наружной кромки:Wн = Wрасчkrн = 56110-31140 = 639510-3 м3.
Определим напряжения во внутренней и внешней кромках по формуле:
Т.е. условие прочности по растяжению удовлетворяется.
Проверим экономичность подбора сечения:
Окончательно принимаем сечения рамы:
hгн=1368 см; hк = 475 см; hоп = 608 см
Рис. 5. Характерные сечения рамы
Проверка устойчивости плоской формы деформирования рамы
Рама закреплена из плоскости:
- в покрытии по наружной кромке - плитами по ригелю
- по наружной кромке стойки – стеновыми панелями.
Внутренняя кромка не закреплена. Эпюра моментов в раме имеет следующий вид:
Рис. 6. Эпюра изгибающих моментов
Точку перегиба моментов т.е. координаты точки с нулевым моментом находим из уравнения моментов приравнивая его к нулю:
получаем уравнение вида
Принимаем x = 668 м тогда:
Точка перегиба эпюры моментов соответствует координатам х = 668 м от оси опоры у = 895 м.
Тогда расчетная длина растянутой зоны имеющей закрепления по наружной кромке равна:
Расчетная длина сжатой зоны наружной (раскрепленной) кромки ригеля (т.е. закреплений по растянутой кромке нет) равна:
Таким образом проверку устойчивости плоской формы деформирования производим для 2-х участков.
Проверка производится по формуле 38 п.6.20 [7]:
Для сжатого участка lр2 = 724 м находим максимальную высоту сечения из соотношения:
Показатель степени n=2 т.к. на данном участке нет закреплений растянутой стороны.
Находим максимальный момент и соответствующую продольную силу на расчетной длине 724 м при этом горизонтальная проекция этой длины будет равна
Максимальный момент будет равен в сечении с координатами: х1 и у1
Момент по деформируемой схеме:
Коэффициент mб=08 для h = 1368 м
При расчете элементов переменного по высоте сечения не имеющих закреплений из плоскости по растянутой кромке или при числе закреплений m4 коэффициенты у и М – следует дополнительно умножать соответственно на коэффициенты kжN и kжМ в плоскости yz:
Подставим значения в исходную формулу:
Производим проверку устойчивости плоской формы деформирования растянутой зоны на расчетной длине где имеются закрепления растянутой зоны.
При закреплении растянутой кромки рамы из плоскости коэффициент необходимо умножить на коэффициент kпN а - на коэффициент kпМ.
Поскольку верхняя кромка рамы раскреплена прогонами расположенными с шагом 14 м и число закреплений m>4 величину следует принимать равной 1 тогда:
уkпN = 00491354 = 0663;
МkпМ = 02923383 = 0988.
Подставим полученные значения в формулу проверки устойчивости плоской формы деформирования:
т.е. общая устойчивость плоской формы деформирования полурамы обеспечена с учетом наличия закреплений по наружному контуру.
Поскольку все условия прочности и устойчивости рамы выполняются принимаем исходные сечения как окончательные.
hгн=1368 см; hк = 475 см; hоп = 608 см.
Расчет и конструирование узлов трехшарнирной гнутоклееной рамы.
Определим усилия действующие в узле:
продольная:N0 = А = 14032 кН;
поперечная:Q0 = H = 7841 кН.
Опорная площадь колонны: Fоп = bhоп = 0180608 = 1094 10-3 м2;
При этом напряжения смятия см составят:
= 128 кНсм2 Rсм = 15 кНсм2 где
Rсм – расчетное сопротивление смятию по табл. 3 [7].
Нижняя часть колонны вставляется в стальной сварной башмак состоящей из диафрагмы воспринимающей распор и двух боковых пластин воспринимающих поперечную силу и стальной плиты – подошвы башмака.
При передаче распора на башмак колонна испытывает сжатие поперек волокон нормативное значение расчетного сопротивления которому определяется по таблице 3 [7] и для принятого сорта древесины составляет:
Rсм90н = 300 МПа = 03 кНсм2.
Требуемая высота диафрагмы определяется из условия прочности колонны:
= 015м принимаем высоту диафрагмы 20 см.
Определим требуемую толщину опорной вертикальной диафрагмы рассчитав ее на изгиб как балку частично защемленную на опорах с учетом пластического перераспределения моментов:
= 882 кНсм = 088 кНм.
Найдем требуемый из условия прочности момент сопротивления сечения. При этом примем что для устройства башмака применяется сталь С235 с расчетным сопротивлением Rу = 230 МПа = 23 кНсм2 .
Из выражения для момента сопротивления известной из курса сопротивления материалов определим толщину диафрагмы:
Принимаем толщину диафрагмы = 12 см.
Боковые пластины принимаем той же толщины в запас прочности.
Опорную плиту обычно принимают толщиной 2см.
Предварительно принимаем следующие размеры опорной плиты:
длина lп =608+2*50 = 708710мм ширина bп =180+2*100=380 мм.
Для устройства фундаментов принимаем бетон класса В15 имеющий расчетное сопротивление сжатию Rb = 11 кНсм2.
Для крепления башмака к фундаменту принимаем болты диаметром 20 мм имеющие следующие геометрические характеристики:
Fбр = 314 см2; Fнт = 245 см2.
Анкерные болты работают на срез от действия распора.
Срезывающее усилие: = 392 кН.
Напряжение среза определим по формуле:
= 1248 кНсм2 = 1955 кНсм2 где Rs – расчетное сопротивление срезу стали класса С235 определяемое в соответствии с табл. 1[8] как 085Ry.
Условие прочности анкерных болтов выполняется.
Рис. 7. Опорный узел рамы.
Продольная сила воспринимается лобовым упором полурам в коньковом сечении при этом торцы полурам работают на смятие под углом к волокнам.
Коньковый узел устраивается путем соединения двух полурам нагельным соединением с помощью стальных накладок.
На накладки действует поперечная сила от односторонней снеговой нагрузки равная: = 1995 кН.
Определяем усилия действующие на болты присоединяющие прокладку к поясу:
l2 – расстояние между вторым рядом болтов.
По правилам расстановки нагелей (п.7.18 [7]) отношение между этими расстояниями могут быть l1l2 = 12 или l1l2 = 13. Принимаем отношение l1l2 = 13 чтобы получить меньшие значения усилий.
Принимаем диаметр болтов 14 мм и толщину накладки 75 мм.
Несущую способность на один рабочий шов при направлении передаваемого усилия под углом 90° к волокнам согласно таблице 2021 СП [7] находим из условий:
но не более значения
где a – толщина накладки; d – диаметр болтов.
Смятия крайних элементов – накладок (угол смятия 90°):
Смятия среднего элемента – рамы (угол смятия α=90°-24°=66°):
где с – ширина среднего элемента узла (рамы).
Минимальная несущая способность одного болта на один рабочий шов:
Необходимое количество болтов в ближайшем к узлу ряду:
Количество болтов в дальнем от узла ряду:
Принимаем расстояние между болтами по правилам их расстановки (по п.7.18 [7]): принимаем 20 см тогда расстояние
Ширину накладки принимаем 10d что равно 140 мм согласно сортаменту по ГОСТ 24454-80* принимаем ширину накладки 150 мм тогда расстояние от края накладки до болтов расстояние между болтами принимаем 50 см.
Изгибающий момент в накладках:
Момент инерции одной накладки ослабленной четырьмя отверстиями диаметром 16 см:
где S3 – расстояние между болтами.
Момент сопротивления накладки:
Напряжение в накладках
где 2 – количество накладок;
Rи – расчетное сопротивление древесины изгибу табл. 3 [7]; Rи = 13 МПа.
Рис. 8. Коньковый узел рамы.
Список использованной литературы.
Конструкции из дерева и пластмасс. Карлсен Г.Г. М: Стройиздат 1975г.
Конструкции из дерева и пластмасс. Ермоленко Л.К. Филимонов Э.В. Гаппоев М.М. Линьков В.И. Серова Е.Т. и др. М: АСВ 2004г.
Методическое пособие «Пример расчета треугольной распорной системы» Линьков В.И. Серова Е.Т. Ушаков А.Ю. М: МГСУ 2012г.
Методическое пособие «Примеры расчета рамных конструкций» Линьков В.И. Серова Е.Т. Ушаков А.Ю. М: МГСУ 2012г.
Методические указания «Примеры расчета ограждающий конструкций» Линьков В.И. Серова Е.Т. Ушаков А.Ю. М: МГСУ 2012г.
СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия». М: ФГУП ЦПП 2010г.
СП 64.13330.2011 «Деревянные конструкции». М: ФГУП ЦПП 2010г.
СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции». М: ФГУП ЦПП 2010г.
ГОСТ 24454-80* «Пиломатериалы хвойных пород». М: 1995г.
ФЗ РФ № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» от 30.12.2009г.