Деревянное каркасное здание


Минск, 2010


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Белорусский национальный технический университет

Кафедра «Металлические и деревянные конструкции»

Курсовой проект 
по дисциплине 
«Конструкции из дерева и пластмасс» 
  на тему 
«Деревянное каркасное здание» 

Выполнил 
Студент группы 112146  М.А. Лихимович

Принял А.В. Окавитый

 

 

РЕФЕРАТ

 

Стр.

30,

рис.

11,

табл.

3,

источников

10,

приложений

-.


 

ДЕРЕВЯННЫЙ КАРКАС, ПАНЕЛЬ ПОКРЫТИЯ, РАМА, КОЛОННА ФАХВЕРКА,  НАГРУЗКА, НАГЕЛЬ, ПОЯС, СТОЙКА, РАСПОРКА.

 

В курсовом проекте произведен расчет и конструирование  элементов деревянного каркасного здания с целью обучения и приобретения навыков проектирования сооружений и их элементов. Скомпоновано сечение  колоны фахверка, которое обеспечивает прочность и общую устойчивость. Подобрано сечение рамы. Выбраны  конструктивные решения и рассчитаны узлы рамы. Запроектирована панель с досчатым каркасом под профилированный  стальной настил кровлю.

 

  • СОДЕРЖАНИЕ

  • Стр.

  • Введение  5

  • 1  Компоновка каркаса  7

  • 2 Расчет панели покрытия  7

  • 2.1 Исходные данные  7

  • 2.2 Компоновка рабочего сечения панели  7

  • 3 Расчет трёхшарнирной рамы 14

  • 3.1 Выбор конструктивного решения рамы 14

  • 3.2 Расчет биссектрисного сечения  17

  • 3.3 Расчет нормального сечения  19

  • 3.4 Расчет на скалывание  19

  • 3.5 Расчет плоской формы деформирования  20

  • 3.6 Расчет и конструирование узлов  21

  • 4 Расчет колонны 28

  • 4.1 Определение нагрузок и геометрических размеров колонны 28

  • 4.2 Статический расчет колонны  28

  • 4.3 Расчет сопряжения колонны и фундамента  28

  • Заключение  29

    • Литература  30

     

    Введение

    Применение деревянных конструкций  значительно расширилось в связи  с развитием новых приемов  и новой техники в строительстве. Основные возможности, обусловленные  природными свойствами древесины как  строительного материала, остаются неизменными. Однако, в связи с  применением новой техники соединений и возможностью получения различных  комбинаций.

    Плоскостные конструкции  предназначены для восприятия нагрузок, действующих в их плоскости. В  зданиях или сооружениях различные  плоскостные конструкции при  взаимном соединении образуют пространственную конструкцию, которая должна обеспечить надежное восприятие внешних сил  любого направления при наиболее невыгодном сочетании их в соответствии с условиями эксплуатации. При  этом передача усилий от одних частей сооружения на другие, вплоть до его  основания, должна проходить без  какого-либо нарушения пространственной неизменяемости, устойчивости, жесткости  и прочности всей пространственной конструкции в целом и отдельных  ее частей.

    Устойчивость каркасного здания при шарнирном опирании стоек  на фундаменты и шарнирном примыкании их к элементам покрытия можно  создать лишь в том случае, если конструктивные элементы покрытия и  стен не только будут достаточно прочными, жесткими и устойчивыми для восприятия всех действующих на них нагрузок, но и создадут неизменяемые, жесткие  и устойчивые диафрагмы. Участие  ограждающих частей здания в обеспечении  его пространственной устойчивости, которую устанавливают поверочным расчетом, возможно только при относительно малых размерах здания.

    Устойчивость и жесткость  зданий, собираемых из готовых щитов  дощато-гвоздевой или клеефанерной конструкции заводского изготовления, перекос которых предотвращается  устройством внутренних раскосов, диагональной обшивкой или оклейкой фанерой, может  быть обеспечена, жесткой горизонтальной диафрагмой чердачного перекрытия или  наклонным кровельным покрытием, надежно  сопротивляющимся перекосу стен. Для  этого необходимо, чтобы жесткость  и устойчивость поперечных стен была достаточной для восприятия в  своей плоскости горизонтальных сил от ветра, передающихся от продольных стен через горизонтальную диафрагму.

    Горизонтальные связи, воспринимающие ветровую нагрузку, образуют в плоскости  верхних поясов двух соседних несущих  конструкций решетчатую ферму, которая  передает действующие в ее плоскости  усилия на продольные стены.

    Основным типом поперечных вертикальных связей являются жесткие  связи, соединяющие попарно вдоль  здания соседние конструкции. Вертикальные связи не следует делать непрерывными по всей длине здания, так как  при обрушении по какой-либо причине  одной из несущих конструкций  она перегрузит через связи соседние конструкции, что может привести к последовательному обрушению  всего покрытия.

    Устройство вертикальных связей в виде подкосов нецелесообразно. Если по длине здания будет действовать  снеговая нагрузка различной интенсивности, то подкосы не предупредят, а наоборот, будут способствовать выпучиванию  закрепляемого ими пояса фермы. Связи рассчитывают на усилия, направленные перпендикулярно плоскости раскрепляемой  конструкции. В случае раскрепления верхнего сжатого пояса ферм связями, расположенными в плоскости покрытия, расстояние между узлами закрепления  устанавливают в соответствии с  условиями гибкости пояса из плоскости  фермы.

    Устройство вертикальных связей необходимо при любой схеме  конструкции. Во многих случаях сечения  элементов связей приходится назначать  по конструктивным соображениям, при  этом предельная максимальная гибкость элементов не должна превосходить нормативную.

     

  • 1. Компоновка

    • Согласно заданию, размеры одноэтажного однопролетного деревянного здания в осях 21 ´ 36 м. Низ стропильных конструкций находится на отметке 3,4 м от уровня чистого пола. Шаг стропильных конструкций — 4,5 м. Ограждающие конструкции — тёплые клеефанерные панели с дощатым каркасом. Стеновые панели — самонесущие. Несущим элементом поперечной рамы одноэтажного однопролетного деревянного здания является трёхшарнирная рама из прямолинейных элементов. Колонны фахверка цельнобрусчатые с шарнирным опиранием.

    Фрагмент плана здания приведен на рисунке 2. Схема поперечной компоновки здания приведена на рисунке 1.


  • Рисунок 1.1 – Поперечная компоновка здания.

     

     


     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    Рисунок 1.2 – План здания.

     

     

    2. Расчет клеефанерной панели покрытия

    2.1.  Выбор конструкции панели покрытия

    Согласно заданию на проектирование для расчета холодной панели покрытия принимаем:

    - кровля – профилированный стальной настил;

    - обшивка – водостойкая фанера клееная березовая марки ФСФ сорта не нижеIII/IV;

    - каркас панели – ель второго сорта;

    - воздушная прослойка – вентилируемая вдоль панели;

     

    Принимаем толщину фанеры 8мм. Направление волокон наружных шпонов фанеры в нижней обшивке должно быть продольным для обеспечения стыкования фанеры «на ус» и для лучшего использования прочности фанеры.

    Шаг стропильных конструкций  – B=4,5м.

    Для дощатого каркаса применены  доски сечением 32H169мм. продольные и  поперечные ребра.

    Рекомендуемая высота панели должна находиться в пределах 1/30 ¸ 1/20 пролёта панели, т. е. .

    Высота панели:  hп =8+169+8=185мм

    Длина панели: Lп = B–0,02 =4,5–0,02 = 4480 мм

    Ширина панели: bп = 1,5–0,01 = 1,49 мм

    Величина опирания панели должна быть не менее 55мм, то расчетный  пролет равен: L0=l–2•2/3•55=4480-2•2/3•55=4407мм.

    Каркас панели состоит  из четырех продольных ребер.

    Расстояние между ребрами  в осях:     a = (1490-4•32)/3= 454мм.

     

    Рис.2.1 Клеефанерная панель

    2.2. Определение нагрузок на панель

    Нормативное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия определяется по формуле:

    ;

    где:  – нормативное значение веса снегового покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности земли, принимаемое в зависимости от района строительства. Согласно [2, карта 2] город Могилёв расположен в II – ом снеговом районе. Нормативное значение снеговой нагрузки для него ;

    – коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к  снеговой нагрузке на покрытие. Согласно [2, прил.3] , так как .

    Нагрузки на панель приведены  в таблице 1.

    Сбор нагрузок на 1 м² панели покрытия

    Таб. 1

    №

    Состав  покрытия

    Нормативная ,

    кН/м2

    gf

    Расчетная ,

    Н/м2

    I. Постоянная нагрузка

    1

    Кровля из профилирванного стального настила

    0,150

    1,05

    0,1575

    2

    Бруски из ели сеччением 40х40

    0,021

    1,1

    0,0231

    3

    Верхняя фанерная обшивка 

    ,

    0,056

    1,1

    0,0616

    4

    Продольные ребра каркаса 

    0,072

    1,1

    0,0792

    5

    Утеплитель пенополиуретан ρ=15кг/м3

    0,016

    1,2

    0,0192

    6

    Битумная мастика

    0,020

    1,2

    0,024

    7

    Поперечные ребра каркаса 

     

    0,012

    1,1

    0,0132

    8

    Нижняя фанерная обшивка 

    ,

    0,056

    1,1

    0,0616

    Итого постоянная по форме покрытия:

    0,403

    –

    0,4394

    Нагрузка на горизонтальную проекцию

    0,415

    –

    0,453

    II. Временная нагрузка

    9

    Снеговая нагрузка

    1,2

    1,6

    1,92

    Всего:

    1,615

    		  

    2,373


     

    Коэффициенты надежности по нагрузке   приняты в соответствии с [2, табл.1]. Так как , то коэффициент надёжности для снеговой нагрузки [2, п.5.7].

    Полная нагрузка на панели покрытия:

    -  нормативная постоянная ;

    -  нормативная полная ;

    -  расчетная полная ;

    2.3. Определение геометрических характеристик панели покрытия

    Определим расчетный пролет панели покрытия (величина опирания панели должна быть не менее 55 мм.): L0=l–2•2/3•55=4480-2•2/3•55=4407мм.

    Рис.2.2 Расчетная схема панели покрытия

    Проверим условие  .

    где:  - расстояние между осями продольных ребер.

     Тогда приведенная  расчетная ширина фанерных обшивок  составит:

    .

    где:  - ширина панели покрытия.

    Рис.2.3 Приведенное расчетное сечение панели покрытия

    Геометрические характеристики поперечного сечения клеефанерной панели приводим к фанерной обшивке.

    Вычислим момент инерции  приведенного сечения:

    где: - модуль упругости для фанеры марки ФСФ сорта В/ВВ толщиной  - модуль упругости древесины.

    Определим момент сопротивления  приведенного сечения:


    .


    2.4 Расчет на продавливание от монтажной нагрузки:

    Каркас состоит из 4-х  продольных ребер. Шаг ребер назначаем  из расчета верхней фанерной обшивки  на местный изгиб поперек волокон  от сосредоточенной силы как балки, заделанной по концам у ребер шириной 1000 мм (п.7.3.1.12 СНБ 5.05.01-2000).

     

    Принимается расстояние между  ребрами в осях  a=500 мм

    Момент в обшивке  .

    Момент сопротивления  обшивки 

    Напряжения от изгиба

    fpm.90.d = 6,5 МПа – таблица 6.12 ТКП 45-5.05-146-2009

    kmod=1,2 – для 2-го класса условий эксплуатации, таблица 6.3 ТКП 45-5.05-146-2009

    γn =0,95– коэффициент надежности по назначению, СНиП 2.01.07-85* Приложение 7, п.2.

    2.5. Расчет  панели на прочность

    Максимальный изгибающий момент в середине пролета панели покрытия составит:

    Проверяем устойчивость сжатой обшивки:

    где:  - расчётное сопротивление фанеры сжатию в плоскости листа вдоль наружных слоёв;

    kpf - коэффициент продольного изгиба, определяемый по формуле:

    Прочность верхней сжатой обшивки обеспеченна.

    Проверяем устойчивость нижней обшивки:

    где:  - расчётное сопротивление фанеры растяжению в плоскости листа вдоль наружных слоёв;

    - коэффициент снижения прочности  с учётом вида фанеры (фанера  ФСФ) и типа стыка (стык “на  ус”).

    Прочность нижней растянутой обшивки обеспеченна.

     

    2.6. Расчет панели на скалывание

    Расчет на скалывание по клеевому слою фанерной обшивки (в пределах ширины продольных ребер) производят по формуле:

    где расчётная поперечная сила в плите:

    Определим приведенный статический момент верхней фанерной обшивки относительно нейтральной оси:

    ;

    где:  - толщина верхней обшивки;

    - расстояние от центра тяжести  верхней обшивки до центра тяжести всего сечения.

    Таким образом, касательные  напряжения составят:

    где:  - расчётное сопротивление фанеры скалыванию вдоль волокн наружных слоёв фанеры;

    Прочность обшивки на скалывание обеспеченна.

    Расчет на скалывание продольного  ребра по клеевому слою производят по формуле:

    Приведенный статический  момент отсеченной части ребер относительно нейтральной оси:

    Приведенный к древесине  момент инерции ребра:

    Получим касательные напряжения в ребре:

    где:  - расчётное сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон при изгибе клееных элементов.

    Прочность ребер обеспеченна.

    2.7. Расчет панели на жесткость

    Расчет на жёсткость панели покрытия выполняется по условию  .

    Определим расчетный прогиб панели покрытия от полной нормативной нагрузки: 

    где: h – наибольшая высота поперечного сечения;

    l – пролёт балки (плиты) равный 4500 мм;

    - относительный прогиб от постоянной нормативной нагрузки,

    где   - для однопролётной балки

    - коэффициент по [1, табл. 8.2], где -   для постоянного сечения;

    - коэффициент по [1, прил. 4, табл. 3], где   - отношение площади пояса к площади стенки тавровой балки;

    Проверяем условие: 

    где: - максимально допустимый прогиб из эстетико-психологических требований от постоянной нормативной нагрузки по [2, табл. 19].

    Жесткость обеспеченна.

     

    3. Расчёт трёхшарнирной рамы

    3.1. Сбор нагрузок

    Сбор нагрузок на трёхшарнирную раму.

    Нагрузки на 1м2 на плоскость покрытия.

                                         таблица 2

    №

    Наименование  нагрузки

    qn, кН/м2

    γf

    q, кН/м2

     

    I. Постоянная нагрузка

    		      

    От покрытия (на горизонтальную проекцию)

    0,415

    –

    0,453

    От собственного веса фермы

    0,274

    1,1

    154,704

     

    Итого

    558,1

    		  

    655,23

     

    II. Временная нагрузка

    		      

    Снеговая нагрузка (равномерно распределенная)

    1,2

    1,6

    1,92


     

    Собственный вес  системы  определяем при       (по таб.1 Пособия по проектированию деревянных конструкций к СНиП  II-25-85). Коэффициент металлоемкости

     Н/м.

    Определяем нагрузку на 1м/п  верхнего пояса фермы:

    - постоянная                                                          g=558,1•5/1000 =2,79 кН/м

    - снеговая (равномерно распределенная)          q =1200•5 =9,6 кН/м

     

    Ветровые  нагрузки.

    Согласно СНиП 2.01.07–85 «Нагрузки  и воздействия» по карте районирования  по давлению ветра г. Вилейка относится  к I району. По табл.5 [1] нормативное значение ветрового давления w0=0,23 кПа.

    Нормативное значение ветровой нагрузки определяем по формуле: w=w0kc,

    где k — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте, принимаемый по табл. 6 [2] для типа местности – А;

    c — аэродинамический коэффициент, принимаемый по прил. 4 [2].

    c = 0.8 - для наветренной стороны,

    c = 0.6 - для подветренной стороны.

    Согласно методическим указаниям при высоте стойки в  раме до 4 м ветровую нагрузку допускается  не учитывать. Высота стойки в нашем  случае 3,4 м, следовательно ветровая нагрузка не учитывается.

     

    3.2 Геометрический расчёт

    Высота рамы от низа стропильной  конструкции до конька:

    Высота рамы в коньке:

    Длина полупролёта:

    Угол между стойкой  и биссектрисным сечением (ригелем  и биссектрисным сечением):

    Угол между нормалью к  биссектрисному сечению и ригелем:

    Расчётная длина ригеля:

    Рис.3.1 Геометрические характеристики рамы.

     

    3.3 Статический расчёт рамы.

    Рис.3.2 Расчётная схема рамы

    Найдём вертикальные реакции  опор:

    Найдём горизонтальные реакции  опор через момент относительно точки  C:

    Разбиваем полупролёт рамы на 9 равных частей. Вычисляем значение изгибающего  момента, продольной и поперечной силы в соответствующих сечениях и заносим в таблицу 3:

    Таблица 3

    №

    сечения

    Xi, м

    yi, м

    Mi, кН·м

    Ni, кН

    Qi, кН

    D

    0

    3,4

    -374,54

    137,53

    -95,93

    1

    1,1667

    3,6917

    -267,37

    134,12

    -82,30

    2

    2,3333

    3,9833

    -176,59

    130,72

    -68,67

    3

    3,5

    4,275

    -102,20

    127,31

    -55,05

    4

    4,6667

    4,5667

    -44,20

    123,90

    -41,42

    5

    5,8333

    4,8583

    -2,58

    120,50

    -27,79

    6

    7

    5,15

    22,64

    117,09

    -14,16

    7

    8,1667

    5,4417

    31,48

    113,68

    -0,54

    8

    9,3333

    5,7333

    23,94

    110,28

    13,09

    C

    10,5

    6,025

    0,00

    106,87

    26,72


    Координата xi вычисляется по формуле:

    Координата yi вычисляется по формуле:

    Изгибающий момент:

    Продольная сила:

    Поперечная сила:

    Рис.3.3 Эпюра изгибающих моментов.

     

    3.4 Подбор сечений рамы

    Исходя из пролёта рамы (lр=21 м) ширина сечения рамы b≥140 мм. Изготавливаем раму из досок шириной 175 мм. Тогда ширина сечения рамы b=Bд-∆фрез=175-10=165 мм.

    Находим высоту сечения рамы в карнизном узле, т.к. там действует  максимальный изгибающий момент. Предварительно высоту сечения можно вычислить  по следующей формуле:

    Раму изготавливаем из 36 досок толщиной 33 мм. Следовательно  высота сечения карнизного узла:

    Высоту сечения стойки у опоры следует принимать  ≥0,4 высоты сечения карнизного сечения. Принимаем:

    Высоту сечения ригеля в коньке следует принимать ≥0,34 высоты сечения карнизного сечения. Принимаем:

    Высоту биссектрисного сечения  найдём по правилам геометрии:

    Площадь биссектрисного сечения:

    Момент сопротивления  биссектрисного сечения:

    Площадь нормального сечения:

    Момент сопротивления  биссектрисного сечения:

     

    3.5 Проверка прочности биссектрисного сечения

    Биссектрисное сечение проверяется  на прочность по смятию внутренней сжатой кромке карнизного узла и по растяжению наружной растянутой кромки по следующим формулам:

    где:  - расчётное сопротивление древесины смятию под углом α1=38 к волокнам древесины, определяемой по формуле (6.2) [1]:

    - расчётное сопротивление древесины изгибу;

    - площадь биссектрисного сечения;

    - момент сопротивления биссектрисного сечения;

    - коэффициент, учитывающий дополнительный момент от продольной силы вследствие прогиба элемента;

    - коэффициенты, принимаемые по рисунку 41 [3];

    Коэффициент продольного  изгиба следует определять по формуле (7.7) [1]:

    где:  - для древесины;

    - гибкость полурамы, определяемая по формуле:

    где:  - длина рамы по оси;

    - средний радиус инерции полурамы;

    Средняя высота сечения полурамы вычисляется как средневзвешенная по следующей формуле:

    В элементах переменного  по высоте сечения коэффициент kc следует умножать на коэффициент kg,n, принимаемый по табл.7.1 [1]:

    Следовательно:

    Для шарнирно-опёртых элементов  при симметричных эпюрах изгибающих моментов синусоидального, параболического  и близкого к ним очертания, а  также консольных элементов коэффициент  km,c определяется по формуле 7.22 [1]:

    Т.к. эпюра изгибающих моментов не соответствует очертанию, указанному выше, коэффициент km,c следует умножать на поправочный коэффициент ke, определяемый по формуле:

    где:  - коэффициент, учитывающий очертание эпюры изгибающих моментов, определяется по таблице 7.6 [1] (в нашем случае треугольная эпюра моментов);

    Т.о. значение коэффициента km,c будет состовлять:

    Проверим прочность биссектрисного сечения:

    Следовательно прочность  биссектрисного сечения обеспечена.

     

    3.6 Проверка прочности нормального сечения

    Рама проверяется по нормальным сечениям на прочность как сжато-изгибаемый элемент в соответствии с пунктом 7.6 [1]:

    где:  - расчётное сопротивление древесины сжатию вдоль волокн древесины;

    - площадь нормального сечения;

    - момент сопротивления нормального сечения;

    - коэффициент, учитывающий дополнительный момент от продольной силы вследствие прогиба элемента;

    Проверяем нормальное сечение  стойки:

    Следовательно прочность  стойки по нормальному сечению обеспечена.

    Проверяем нормальное сечение  ригеля:

    Следовательно прочность  ригеля по нормальному сечению обеспечена.

     

    3.7 Проверка скалывающих напряжений

    Расчёт изгибаемых элементов  на прочность при скалывании следует  производить по формуле (7.15) [1]:

    где:  - расчётное сопротивление древесины скалыванию вдоль волокн при изгибе клееных элементов;

    - статический момент сдвигаемой части поперечного сечения элемента относительно нейтральной оси;

    Деревянное каркасное здание 📙 Курсовая → 🆔 70530

    Деревянное каркасное здание 📙 Курсовая → 🆔 70530

    Деревянное каркасное здание