Деревянные конструкции

 

 

 

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

Кафедра строительных конструкций

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пояснительная записка к курсовой работе:

«Расчет и конструирование элементов

деревянного каркасного здания»

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент:

Лузин А.Ю.

ГСХ -08-2

Проверил преподаватель:

Худышкина Н. Ю.




 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тюмень, 2012

 

 

 

 

 

Содержание

 

Расчет верхней обшивки на местный изгиб.                                              6

 

Расчет и конструирование несущей конструкции покрытия.                12

 

 

Расчет и конструирование узлов                                                                  18

 

 

Список используемой литеатуры.                                                                21                                                              

 
   
   
   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                     1.Конструктивное решение каркаса.

 

Трехслойная клеефанерная панель покрытия коробчатой формы. Принимаем длину и ширину панели 4х1,2 м. Каркас панели – древесина (сосна II сорта); обшивка – плоские листы фанера ФСФ сорта В/ВВ. Принимаем для верхней обшивки семислойную березовую фанеру сорта В/ВВ толщиной =8 мм. Для нижней обшивки – пятислойную, толщиной =6 мм. 

Ширину панелей по верхней и нижней поверхностям принимаем равной 1190мм, что обеспечивает зазор между панелями 10мм.

В продольном направлении длина панели принимается 3980мм при зазоре между панелями 20мм.

Влажность внутреннего воздуха: 75%

Влажностный режим помещения: влажный (влажность внутреннего воздуха 75% при температуре внутреннего воздуха до 24°С) (2, табл. 1).

Зона влажности: 3-сухая (2, прил. 1*).

Температурно-влажностные условия эксплуатации конструкций: А2 (внутри отапливаемых помещений при температуре до 35°С, относительной влажности воздуха 75%) (1, табл. 1)

Расчетные сопротивления семислойной фанеры (1, табл. 10):

Rфс = 120 кгс/см2 – расчетное сопротивление сжатию в плоскости листа.

Rфр = 140 кгс/см2 – расчетное сопротивление растяжению в плоскости листа.

Rфи = 160 кгс/см2 – расчетное сопротивление изгибу из плоскости листа.

Rфи90 = 65 кгс/см2 – расчетное сопротивление изгибу из плоскости листа (поперек волокон наружных слоев).

Еф =90000 кгс/см2 – модуль упругости.

Еф90 =60000 кгс/см2 – модуль упругости, поперек волокон наружных слоев.

 

2.Расчет и конструирование ограждающей конструкции

покрытия.

2.1Теплотехнический расчет.

 

Определим толщину утеплителя, из экономических условий и по санитарно-гигиеническим нормам (по СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника»). Плита покрытия между слоем утеплителя и верхней обшивкой имеет пространство вентилируемое наружным воздухом, поэтому в расчете учитываем только нижнюю фанерную обшивку и слой утеплителя.

Определяем требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, отвечающих санитарно-гигиеническим и комфортным условиям [2, формула 1].

= =1,95 м2×°С/Вт,

где n – коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху. (Определяем по табл. 3* СниП II-3-79*), n=1.

tв – температура внутреннего воздуха в помещении, tв=16 °С.

tн – расчетная зимняя температура наружного воздуха, tн =-45 °С.

tн – нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимаемых по [2, табл. 2*]; tн=0,8(tв- tр).

 tр –температура точки росы.

       Находим   температуру точки  росы:

Степень насыщения воздуха влагой определяют его относительной влажностью W.

,

где е – действительная упругость водяного пара в воздухе.

      Е - максимальная упругость водяного пара в воздухе [приложение 3 табл. 3].

           =>         [приложение 3 табл. 3].

     Dtн=0,8× (16°С-11,5°С)=3,6 °С

aв - коэффициент теплопередачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, принимаемый по [2, табл. 4*], aв =8,7 Вт /м2×°С.

Найдем требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций по условиям энергосбережения по [2, табл. 1б] методом интерполяции.

 Градусо-сутки отопительного периода (ГСОП) следует определять по [2, формула 1а].

ГСОП = (tв - tот.пер.) zот.пер=(16+9,7)*267=6862,

где tот.пер., средняя температура отопительного периода, tот.пер.=-9,7°С.

zот.пер. - продолжительность периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8 °С, zот.пер.=267 сут.     

Приведенное сопротивление теплопередаче для покрытий [2, табл. 1б изменения №3]:

R0тр=2,859 м2×°С/Вт,

Сравним два значения Rтр0 и выберем наибольшее и подставим в формулу

Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции не должно превышать требуемого значения.

Сопротивление теплопередаче Ro, м2 × °С/Вт, ограждающей конструкции следует определять по [2, формула 4].

,

отсюда выразим Rк — термическое сопротивление ограждающей конструкции, м2×°С/Вт.

aн — коэффициент теплоотдачи (для зимних условий) наружной поверхности ограждающей конструкции. Вт/(м • °С), принимаемый по табл. 6* СНиП II-3-79*.aн =23 Вт /м2×°С.

= =2,7

Термическое сопротивление ограждающей конструкции определяем как для многослойной конструкции в соответствии с п.2.7 и п.2.8 [2]:

,

где и - термическое сопротивление слоёв ограждающей конструкции

  ,

где - толщина нижней обшивки плиты покрытия

       - коэффициент теплопроводности нижней обшивки плиты покрытия

,

где - толщина слоя утеплителя.

       - коэффициент теплопроводности (маты минераловатные прошивные ГОСТ 21880-76).

Найдём толщину слоя утеплителя:

м

Толщину утеплителя принимаем 140мм.

Толщину ребра панели принимаем равным 4 см, ширину доски ребра с учетом острожки равным 18,4 см. Отсюда высота панели 19,8 см.

Построим график распределения температуры в ограждающей конструкции.

Для этого вычислим температуры на границе слоёв:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                   

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2Расчет верхней обшивки  на местный изгиб.

(Определение количества  продольных ребер).

 

Расчетная нагрузка -  сосредоточенная монтажная нагрузка Р = 100 кгс (1кН).

Стыки листов вдоль обшивки устраиваются “на ус”. При длине стыка  ослабление фанеры стыком учитывается коэффициентом mф=0,6.

Расстояние а между ребрами определим исходя из расчетного сопротивления фанеры изгибу поперек волокон для настилов при действии монтажной нагрузки.

;   =37 см

    где  R1ф.и =65 кгс/см2 - расчетное сопротивление фанеры изгибу поперек шпона;

      mu = 1,2 – коэффициент условия работы, учитывающий монтажную нагрузку.

Шаг продольных ребер а принимаем равным 370мм.

 

Сбор нагрузок на панель

                                                                                                                                           Таблица 1.

  Наименование

gн,кгс/м2

       gf

gр,кгс/м2

Постоянная нагрузка

1. Волнистый стальной  настил

2. Рубероид кровельный  прокладочный в один слой

3. Обшивки из ФСФ(0,008м+0,006м) ×640кгс/м3

4. Каркас из древесины (поперечные и продольные ребра) (0,132м3×500кгс/м3×0,17)

5.Утеплитель (минераловатные  плиты) 50 кг/м3×0,01м

 

3,93

1,1

9

14

11,22

5

 

1,05

1,2

1,1

1,1

1,1

1,2

 

4,13

1,32

9,9

15,4

12,34

6

Итого:

31,4

 

35

Временная нагрузка

1. снеговая S

 

288

 

1,6

 

320

ВСЕГО:

319,4

 

355


Примечание. S=S0×m , [7, формула 5]

                       S0=100 кгс/м2 , [7,табл.4]

               m=1 , (прилож.3 СНиП 2.01.07-85. “Нормы проектирования. Нагрузки и воздействия” )

                       S=100 кгс/м2×1=100 кгс/м2

                      31,4/100=0,31< 0,8 => gf = 1,6 [п. 5.7]

 

Определение внутренних усилий.

Нагрузки, действующие на панель без учёта наклона панели:

 

                     

 

Определение приведённых геометрических характеристик.

При определении приведённых моментов инерции и приведённых моментов сопротивления расчётную ширину обшивок следует принимать равной

при , [1, п.4.25].

где b=119см – полная ширина сечения плиты

       l=3,4 м – пролёт плиты

       a=37см – расстояние между продольными рёбрами по осям 

     

Приведённая к фанере верхней обшивки площадь сечения панели

,

где dф=0,8см – толщина верхней обшивки

      d!ф=0,6см - толщина нижней обшивки

      Еф=90000кгс/см2- модуль упругости  фанеры

      Едр=100000 кгс/см2- модуль упругости древесины

      d=4см – толщина ребра панели

      с0=14,4см – высота ребра панели с учётом острожки

      n=3 – количество рёбер

 

Приведённый статический момент сечения относительно нижней плоскости:


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приведённый к фанере верхней обшивки момент инерции:

 

Проверка нижней обшивки на растяжение при изгибе.

 

,  [1]

 

где Rф.р =140кгс/см2   [1, табл. 10 ]

   mф =0,6 – коэф-т учитывающий снижение расчётного  сопротивления в стыках фанерной обшивки  ( п.4.24) [1]

    - коэф-т для условий эксплуатации А2 [1,табл.5].

   gn =0,95 – коэф-т надёжности по назначению для зданий 2 класса ответственности

   М = 61557кгс×см

     

 

 

Проверка верхней обшивки на сжатие и устойчивость при изгибе.

 

,  ( 41 ) [1]

 

где Rф. с=120кгс/см2 [1, табл.10] 

- коэф-т для условий эксплуатации А2 [1, табл.5].

      gn =0,95 – коэф-т надёжности по назначению для зданий 2 класса ответственности

      М = 61557кгс×см

        при  ,  [ 1,  п.4.26]

      

     

 

     

Проверка клеевых соединений фанеры на скалывание.

 

 

где  Rск =8 кгс/см2 – расчётное сопротивление скалыванию фанеры вдоль волокон наружных слоёв, (табл. 10) //

      - коэф-т для условий эксплуатации А2 [1, табл.5].

      gn =0,95 – коэф-т надёжности по назначению для зданий 2 класса  ответственности

      Q =181,05кгс

      

- статический

           момент  сдвигаемой части приведённого сечения относительно    нейтральной оси

       Iпр =11842,11см4

       bрасч = 3 × 4 =12см – расчётная ширина сечения, равная суммарной ширине ребер.

 

 

Проверка рёбер на скалывание.

 

 

где  Rск =16кгс/см2 – расчётное сопротивление скалыванию древесины вдоль волокон [1, табл. 3].  

          - коэф-т для условий эксплуатации А2 [1, табл.5]

         gn =0,95 – коэф-т надёжности по назначению для зданий 2 класса ответственности.

         Q =181,05кгс

 

 

 

 

              Iпр =11842,11см4

         bрасч = 3 × 4см =12см – расчётная ширина сечения, равная суммарной ширине рёбер.

 

Поверка прогиба панели.

 

,        где  - предельный прогиб [1, табл.16]

 

 

 

   -относительный прогиб. 

  условие выполняется.

      Конструкция стыков панели

 

При неравномерно приложенной нагрузке может произойти смещение продольных кромок панелей относительно друг друга. Для предотвращения повреждения рулонного ковра продольные кромки стыкуются в четверть и сшиваются гвоздями (рис.3).

Рис. 3. Стык панелей воль ската.

 

Разрыв рулонного ковра может произойти и над стыками панелей в местах их опирания на главные несущие конструкции. Над опорой происходит поворот кромок панелей и раскрытие шва:

,

где hоп =19,8см - высота панели на опоре

      o - угол поворота опорной грани панели

      

 

 

 

 

 

             Для предупреждения разрыва рулонного ковра опорные стыки панелей необходимо устраивать с компенсаторами в виде отрезков стеклопластиковых волнистых листов толщиной 5мм при волне 50´167мм. Отрезки прибиваются гвоздями к опорным вкладышам и сверху покрываются рулонным ковром (рис.4).

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4. Стык панелей на опоре.

 

Такие компенсаторы создают каналы, необходимые для вентиляции внутреннего пространства покрытия.

Компенсатор, работая в пределах упругости материала, должен допускать перемещения опорных частей панели, связанные с поворотом торцевых кромок панелей и раскрытием швов.

Произведём расчёт компенсатора при aшв=0,2см (рис. 5).

Перемещение конца компенсатора при изгибе панели:

В этой формуле P× r – изгибающий момент в компенсаторе при его деформировании, который выражается через напряжение:

Из этих выражений получим формулу для проверки нормальных напряжений в волнистом компенсаторе:

,

где - ширина раскрытия шва

       Ест =30000кгс/см2 – модуль упругости полиэфирного стеклопластика

                                          (прил 4, табл.8) [1]

       dст =0,5см – толщина листа стеклопластика

        r =5cм – высота волны

Rст =150кгс/см2 – расчётное сопротивление стеклопластика (прил.4, табл.7) [1]

 

 

Вывод: Условие прочности и жесткости панели выполняется. Запас  по деформациям составляет  50%. В целях экономного расхода материала панели можно уменьшить высоту сечения деревянных досчатых продольных ребер.

 

 

 

3.Расчет и конструирование  несущей конструкции покрытия.

 

Конструктивное решение: трехшарнирная клеедеревянная арка кругового очертания постоянного прямоугольного сечения без затяжки. Пролет – 15 м. Высота – 7,4 м. Материал - древесина 2 сорта. Шаг арок – 3,4 м. Район строительства Березово.

 

Определение геометрических размеров.

 

Начало прямоугольных координат принимается в центре левого опорного узла арки.

Определяем радиус арки:

 Длина дуги арки:

Центральный угол дуги полуарки:

   , этому соответствует j=900; cosj=0;

 

 

 К расчету круговой арки.

 

 

3.1Сбор нагрузок.

Собственный  вес арки:

  = =23.64 кг/м2,

где gн – нормативная нагрузка от покрытия, кровли и утеплителя;

      рн – нормативная снеговая нагрузка;

      ксв – коэффициент собственного веса (для арок принимается равным 4-5)  

 

Табличный сбор нагрузок без учета криволинейности элемента.

Таблица 3.

Наименование нагрузок

Нормативная, кг/м2

Коэффициент надежности по нагрузке gf

Расчетная, кг/м2

Кровля (металлочерепица)

5

1,2

5,25

Покрытие (рабочий досчатый настил t=35мм.)

15

1,1

16,5

Покрытие (досчатый настил t=25мм.)

10,5

1,1

11,55

Утеплитель δ=100мм, 2 слоя пароизоляции

20

1,2

24

Арка

23,64

1,1

26

Итого

q =74,14

 

q =83,3

Снег по [2] п. 5.2, табл. 4

288

 

320

Всего

qн =362,14

 

qр =403,3


 

Расчетная  нагрузка с учетом разницы между длиной дуги арки и ее проекцией (S/l).

Постоянная    (5,25+16,5+11,55+24)

Временная     р= кг/м2,

где с= l=0,4– коэффициент снегозадержания для криволинейных покрытий.

Расчетная  нагрузка на 1 п.м. арки:

Постоянная q=(59,59+26) 3,4=291,1кг/м.

Временная  р=288 3,4=979,2кг/м.

Ветровая нагрузка не учитывается, т.к. разгружает конструкцию.

 

Вычисления усилий приводятся только в основных расчетных сечениях. Полупролет арки делитсяна четыре равных части, образующих пять сечений от x=0 до x=11,5 м. Согласно прил.3 п.2 [2] определяем координаты  (х,у) дополнительного сечения арки, соответствующее φ=50 . Координаты сечений, углы наклона касательных к оси полуарки в этих сечениях определяются по формулам:

у=

где Д=r-f=7,5-7,2=0,3м.

      j=arcsin((l/2-x)/r).

 

 

 

Геометрические величины оси левой полуарки.

                        Таблица 4.

Координаты

0

    0’

1

2

3

4

Х,м

0

1,754

1,875

3,75

5,625

7,5

У,м

0

4,52

4,661

6,195

6,962

7,2

φ

90

50

49

30

14

0


 

 

 

3.2 Статический расчет.

 

Сочетания нагрузок:

 

1. Постоянная + снег по всему  пролету 

2. Постоянная + снег слева 

3. Постоянная + снег справа 

 

а) от равномерно распределенной нагрузки по всему пролету (постоянной):

 

Определяем опорные реакции:

VА=VВ= кг.

Н= кг.

 

Определяем усилия:

Мх= ;

Qx= ;

Nx=;

 

б)  От распределенной по треугольнику нагрузке на полупролете слева р=979,2кг/м.

 

VА= кг.

VВ= кг.

Н= кг.,

где l’=l-2х=15-2 1,754=11,492 м.

 

На участке 0≤х≥l/2:                  На участке l/2≤х≥l:

 

Мх= ;  Мх= VБ (l’-x) -Hy; 

Qx= ;  Qx=-VБcosj+Hsinj

Nx= ;  Nx=-VБsinj-Hcosj;

 

Примечание: 

1) при определении усилий  Мх  Qx  Nx значения координаты  (y) в сечениях принимаем согласно табл.2, значения координаты х =хn -1,754,

где хn –координата х в n сечении.

  1. при определении усилий в опорных шарнирах принимаем х=1,754 ; р=0 

                                                

в) От распределенной по треугольнику нагрузке на полупролете справа р=979,2кг/м.

Расчет выполняется аналогично п.б), при этом

 

VА= кг.

VВ= = кг.

Н= кг.,

 

г) Усилия от распределенной по треугольнику нагрузке на всем пролете определяются путем суммирования усилий от снеговых нагрузок на левом и правом полупролетах арки.

Вертикальная опорная реакция арки V определяется из условия равенства нулю изгибающего момента в противоположном опорном шарнире. Горизонтальная опорная реакция Н, численно равная распору арки без затяжки, определяется из условия равенства нулю изгибающего момента в коньковом шарнире.

Усилия в арке определяются методами строительной механики в основных расчетных сечениях. Промежуточные вычисления опускаются.

Результаты их сводятся в таблицу 3.

Эпюры усилий от сочетания нагрузок  М, Q, N приведены в прил. 2 рис.2. методических указаний.

 

 

Усилия в сечениях арки

  Таблица  5.

Сечение

Усилия

от постоян-ной нагрузки

От снеговой по треугольно распределенной форме.

треугольной распределенной

Расчетные

на левом полупролете

на правом полупролете

на всем пролете

1

2

3

4

5

6

7

М (кг м)

0

0

0

0

0

0

0

0’

-1758,10

-1691,34

-1691,34

-3382,68

-3449,44

-5140,78

1

-1718,18

-1467,55

-1687,37

-3154,92

-3185,73

-4873,1

2

-904,01

636,53

-1382,24

-745,71

-267,48

-1649,72

3

-241,07

789,96

-790,11

-9,15

539,89

-250,22

4

0

0

0

0

0,00

0,00

5

-241,07

-790,11

789,96

-9,15

539,89

-250,22

6

-904,01

-1382,24

636,53

-745,71

-267,48

-1649,72

7

-1718,18

-1687,37

-1467,55

-3154,92

-3185,73

-4873,1

8’

-1758,10

-1691,34

-1691,34

-3382,68

-3449,44

-5140,78

8

0

0

0

0

0

0

Q (кг)

0

-1137,11

-374,19

374,19

0

-1511,3

-1137,11

0’

204,49

1220,8

-14,85

1205,95

1425,29

1410,44

1

216,77

1178,86

-25,44

1153,42

1395,63

1370,19

2

376,79

444,52

-218,94

225,58

821,31

602,37

3

254,26

-254,79

-364,25

-619,04

0

-364,78

4

0

±468,87

±468,87

±468,87

±468,87

±468,87

5

254,26

-364,25

-254,79

-619,04

-109,99

-364,78

6

376,79

-218,94

444,52

225,58

157,85

602,37

7

216,77

-25,44

1178,86

1153,42

191,33

1370,19

8’

204,49

-14,85

1220,8

1205,95

189,64

1410,44

8

-1137,11

374,19

-374,19

0

-762,92

-1137,11

N (кг)

0

2183,25

2344,37

-468,87

1875,5

4527,62

4058,75

0’

2012,42

2036,39

-599,75

1436,64

4048,81

3449,06

1

1980,57

2101,52

-598,99

1502,53

4082,09

3483,1

2

1530,55

2303,74

-558,48

1745,26

3834,29

3275,81

3

1235,08

1538,61

-476,43

1062,18

2773,69

2297,26

4

1137,11

±374,19

±374,19

±374,19

762,92

762,92

5

1235,08

-476,43

1538,61

1062,18

758,65

2297,26

6

1530,55

-558,48

2303,74

1745,26

972,07

3275,81

7

1980,57

-598,99

2101,52

1502,53

1381,58

3483,1

8’

2012,42

-599,75

2036,39

1436,64

1412,67

3449,06

8

2183,25

-468,87

2344,37

1875,5

1714,38

4058,75


 

 

Подбор сечения арок.

 

Подбор сечения производим по максимальным усилиям: 

Мmax=-5140,78 кг м., N соотв.=3449,06кг.

 

Оптимальная высота поперечного сечения арки находится:

 

 

Требуемая высота сечения арки находится из условия устойчивости

 в плоскости кривизны:

l=

,

 

где l=120 – предельная гибкость, принимаемая по[1]табл.14;

l0=0,58S - расчетная длина элемента;

i  =0.29h - радиус сечения элемента.

Отсюда hтр =

Ширину сечения арки принимаем b=0.1м. по сортаменту пиломатериалов, рекомендуемых для клееных конструкций. [5] прил. 1

Толщину досок принимаем, а=2,1см, а после острожки с двух сторон, а=1,8 см.

Поперечное сечение принимаем прямоугольным , постоянной высоты и ширины. Компонуем из 27 досок сечением 14х2,1 см, тогда высота сечения h=27 1,8=48,6=50 см.

Принятое сечение b x h=14x50 см.

 

Проверка нормальных напряжений при сжатии с изгибом.

 

Расчетное сопротивление древесины при сжатии с учетом коэффициентов условий работы при высоте сечения  mб=1 и толщине слоев mсл=1.1 [1], табл. 7, 8 Rc=140 1 1.1=154 кг/см2.

Проверку следует производить по формуле:

 

G=

,

 

Fрасч = b h =14 50 =700 cм2

Wрасч = =5833 см3

МД=

     x=
;      j=

(при гибкости элемента

70.)

 

м

МД = кг см

G=

 

 

Вывод: прочность сечения достаточна. Запас по прочности 15,06 %

 

 Проверка скалывающих напряжений.

 

Проверку производим по Qmах=1425,29 кг.

                                             Rск=15 кг/см2  (табл.3 [1])

Статический момент и момент инерции сечения арки:

 S = cм3;

 J = см4.

Максимальное напряжение скалывания:                                                  

 

 

 Проверка устойчивости плоской формы деформирования.

 

Проверяем сечение на устойчивость из плоскости при:

Мmax=-5140,78 кг м., N соотв.=3449,06.

Проверку следует производить по формуле:

G=

1,

где jМ - коэффициент, определяемый по формуле:

jм=140

,

где см - расстояние между опорными сечениями элемента;

      kф =1.13 - коэффициент, зависящий от формы эпюры изгибающих моментов на участке lp, определяемый [1] по табл.2 прил.4.

 

jм = 140 = 0.8

Гибкость полуарки из ее плоскости lу и коэффициент продольного изгиба j:

 lу = 192,12

 j = =0.08       

Т.к на участке lp из плоскости деформирования имеются закрепления в виде прогонов, коэффициент  jм  следует умножать на коэффициент kpм и коэффициент  j  следует умножать на коэффициент kpN  по формулам:

 

Проверка:          ,

Деревянные конструкции