Деревянные конструкции покрытия промышленного здания

36Уральский Государственный Университет Путей Сообщения

 

 

 

                                                                                         Кафедра СК и СП 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

 

по дисциплине «Конструкции из дерева и пластмасс»

на тему

 

Деревянные конструкции покрытия

промышленного здания

 

 

 

 

 

 

                                                                                                Выполнил:

                                                                                              

                                                                                               Проверил:

 

г. Екатеринбург

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

1. Исходные данные

2. Расчетная часть

    2.1 Обоснование  и выбор покрытия и его основной 

          несущей конструкции

    2.1.1 Выбор основной несущей конструкции

    2.1.2. Выбор покрытия

    2.2. Определение  нагрузок

    2.3 Расчет элементов  покрытия

    2.4. Расчет основных  несущих конструкций

    2.4.1. Расчет  и конструирование арки

    2.5. Конструирование и расчет связей

3. Технико-экономические  показатели

4. Средства защиты  элементов конструкций

5. Литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчетная часть.

2.1. Обоснование и выбор  покрытия и его основной несущей  конструкции.

2.1.1. Выбор основной несущей конструкции.

1. Вариант 5 Сегментная клееная ферма.

 

 

 

 

 

1.1. Определение собственной массы (веса) ОНК на 1 м² горизонтальной проекции покрытия (пола):

,

где q^н –нормативная постоянная нагрузка от массы покрытия (за исключением собственного веса ОНК), кН/м² горизонтальной проекции покрытия; с учетом очертания покрытия (кровли) она определяется по формуле:

;

;

q^н_кр –вес одного квадратного метра покрытия (настила, прогонов, утеплителя, кровли или панелей покрытия) согласно выбранной конструктивной схеме и ориентировочно принятых размеров, кН/м², крыши;

l –пролет ОНК, в м;

S –длина верхнего пояса ОНК, в м;

P^н –суммарная временная нагрузка на покрытие от снега, ветра и подвесного оборудования, в кН/м², горизонтальной проекции покрытия;

 

Где p^н_сн – нормативная снеговая нагрузка на 1 м² площади горизонтальной проекции покрытия, принимается согласно СНиП 2.01.07-85 для заданного района;

;

К_св –коэффициент собственного веса ОНК, зависящий от формы, схемы и размеров конструкции.

1.2. Определение расхода древесины и металла.

,

;

Определение объема древесины:

1.3. Определение сметной  стоимости ОНК.

 

2. Вариант11   Гибридная линзообразная ферма из клееной древесины.

 

 

 

 

 

2.1. Определение собственной массы  (веса) ОНК на 1 м² горизонтальной проекции покрытия (пола):

;

Радиус фермы находим по формуле:

;

2.2. Определение расхода  древесины и металла.

,

;

Определение объема древесины:

2.3. Определение сметной  стоимости ОНК.

 

Сравнение вариантов

№	Показатели	1. вариант	2. вариант
1	Расход древесины	0,0136	0,011
2	Расход металла	0,029	0,0187
3	Сметная стоимость	9,88	6,9

Исходя из сравнения  вариантов, выбираю для дальнейшего расчета, линзообразную ферму, т.к. она экономичнее по расходу древесины и металла.

2.1.2. Выбор покрытия

По назначению здания и температурно-влажностному режиму определили, что здание отапливаемое и влажность воздуха внутри здания при температуре до 35^оС – до 60 %, а максимальная влажность клееной древесины для конструкции – 9 %. Древесина, используемая в здании, для основной несущей конструкции – лиственица, а рекомендуемые типы и марки клеев – резорциновые и фенольно-резорциновые (ФР-12, ТУ 6-05-1748-75, ФРФ-50, ТУ 6-05-281-14-77). Поправочный коэффициент к механическим характеристикам m_в=1, см. в табл. 5 СНиП II-25-80, а расчетные сопротивления в зависимости от напряженного состояния и характеристики элементов см. в табл. 3 СНиП II-25-80

Для покрытия используем клеефанерную панель, листы из водостойкой фанеры в качестве обшивки.

Размеры панели уточняем в зависимости  от верхнего пояса арки. Длина дуги верхнего пояса- S=43,1м, радиус верхнего пояса-  158,2   .

Верхний пояс фермы разбиваю на 5 равных панелей (шаг панелей). На одну панель укладываем три плиты (ширина плиты). Шаг ферм В=6м, значит длина плиты . Получили следующие размеры фанерной плиты покрытия: длина-5980мм, ширина-1440мм.

Обшивку устраиваем из фанеры марки ФСФ сорта В/ВВ по ГОСТ 3916-69 толщ.8мм, ребра из сосновых досок второго сорта. Клей марки ФР-12. утеплитель - минераловатные плиты толщиной 8см на синтетическом связующем, плотность утеплителя 1 кг/м³. Пароизоляция из полиэтиленовой пленки толщиной 2мм. Воздушная прослойка над утеплителем - вентилируемая вдоль панели. Обшивки конструируем наименьшей допустимой толщины: верхнюю из семислойной фанеры толщиной 8мм, нижнюю- аналогично. Для удержания утеплителя в проектном положении устанавливаем решетку из брусков 25х25мм, которые крепятся гвоздями к ребрам. Стыки обшивки могут быть выполнены на ус или впритык с накладками.

Панели предназначены  для укладки по несущим деревянным конструкциям. Кровля из рулонных материалов (рубероид)- трехслойная. Первый слой рубероида наклеивают на заводе с применением мастик повышенной теплостойкости и механизированной прокатки слоя. Оставшиеся два слоя наклеивают после установки панели.

Каркас панели состоит  из четырех продольных ребер ( см. рис 1). Высота панели , ширина ребра после механической обработки бруска составляет 40мм. Получили ребра сечением 40х184мм. Шаг ребер принимаем из расчета верхней фанерной обшивки на местный изгиб поперек волокон от сосредоточенной силы как балки, заделанной по концам (у ребер) шириной 1000мм. Расстояние между ребрами в осях .

Изгибающий момент в  обшивке  . Момент сопротивления обшивки шириной 1000мм . Напряжение от изгиба сосредоточенной силой (здесь 1,2 – коэффициент условия работы для монтажной нагрузки).

Воздушная прослойка  над утеплителем вентилируемая  вдоль панели.

 

Рис.2 Утепленная клеефанерная панель покрытия

1. обшивка из фанеры;
2. утеплитель;
3. Пароизоляция;
4. продольные ребра из досок;
5. поперечные ребра из досок;
6. торцевая доска для крепления панели к опоре;
7. боковые трапециевидные бруски.

2.2. Определение нагрузок

 

Нагрузка	Нормативная, кН/м2	Коэффициент надежности по нагрузке	Расчетная, кН/м2
Кровля рубероидная  трехслойная	0,12	1,3	0,148
Фанера марки ФСФ 2х0,008х7	0,112	1,1	0,123
Каркас из сосновой древесины: продольные ребра с  учетом брусков продольных стыков поперечные ребра	0,127     0,011	1,1     1,1	0,139     0,011
Утеплитель – минераловатные плиты	0,124	1,1	0,136
Пароизоляция	0,02	1,1	0,022
Постоянная	0,514	-	0,579
Временная (снеговая)	1	1,6	1,6
Полная	1,514	-	2,179

 

Коэффициент надежности по снеговой нагрузке в соответствии с п. 5.7 СНиП 2.01.07-85 для отношения  нормативного веса покрытия к весу снегового покрова равен γ_f=1,6, где . Коэффициент (прил. 3 СНиП 2.01.07-85). Полное нормативное значение снеговой нагрузки Полная нагрузка на 1м панели: нормативная ; расчетная

 

Расчетные характеристики материалов.

Для фанеры марки ФСФ  сорта В/ВВ семислойной толщиной 8мм по табл 10 и 11 СНиП II.25-85 имеем:

1. Расчетное сопротивление растяжению ;
2. Расчетное сопротивление сжатию ;
3. Расчетное сопротивление скалыванию ;
4. Модуль упругости .

 

 

Для древесины ребер  по СНиП II.25-85 имеем:

1. Расчетное сопротивление  изгибу, сжатию и смятию: ;
2. Расчетное сопротивление скалыванию ;
3. Модуль упругости

 

 

 

2.3. Расчет элементов покрытия

Геометрические  характеристики сечения панели.

Приведенная расчетная  ширина фанерных обшивок согласно СНиП II.25-85 п. 4.25

Геометрические характеристики поперечного сечения клеефанерной панели приводим к фанерной обшивке. Приведенный момент инерции поперечного сечения панели:

Приведенный момент сопротивления  поперечного сечения панели:

Приведенная площадь сечения:

 

Проверка панели на прочность.

Нормативная нагрузка:

Максимальный изгибающий момент в середине пролета

Напряжения в растянутой обшивке:

,

где 0,6-коэффициент, учитывающий снижение расчетного сопротивления фанеры в растянутом стыке.

Расчет на устойчивость сжатой обшивки  производят по формуле

При расстоянии между  продольными ребрами в свету  и толщине фанеры

, тогда  .

, прочность обеспечена.

 

 

 

 

Проверка клеевых  соединений фанеры на скалывание.

Поперечная сила равна  опорной реакции панели .

Приведенный статический момент верхней обшивки относительно нейтральной оси .

Расчетная ширина клеевого соединения .

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

. Прочность обеспечена.

Расчет панели на отрыв  ветром.

 

 

к=0,65 - коэффициент, учитывающий изменение  ветрового давления по высоте (h=10м).

с=2 – аэродинамический коэффициент (СНиП 2.01.07-85)

Несущая способность одного гвоздя из условия прогиба, d=5мм. .

Крепление на шурупах

(пластинки толщиной t=4,0мм)

,

где - из табл. 19 СНиП.

.

Принимаем 2 шурупа d=5,0мм.

Размеры накладки 50х70мм.

 

Проверка прогиба  панели

Относительный прогиб

Жесткость обеспечена.

 

 

2.4. Расчет основных несущих конструкций

2.4.1. Расчет и конструирование  фермы

 

Геометрические  размеры.

 

L=42м – длина фермы;

f=42/15=2,8м – подъем фермы;

d_оп=4,2м

R= – радиус фермы;

S= – длина дуги арки;

       

 

 

 

Нагрузки

 

 

Постоянная нагрузка на горизонтальную проекцию покрытия с учетом криволинейности.

Снеговая нагрузка: ;

                                         

Собственный вес фермы:

Постоянная нагрузка:

 

 

Снеговая нагрузка:

а. равномерно распределенная по всему пролету:

б. распределенная с коэффициентами 1,25 и 0,75 на половинах пролета:

          

 

Статический расчет линзообразной фермы

 Выполняем в программе Лира-9.2 для глобальной схемы.

Локальную схему используем для определения М_изг и N верхнего пояса фермы в пределах сквозного участка .Верхний пояс рассматривается как многопролетная неразрезная балка.

Принимаем  М_макс=М_оп=19кН/м

(l_р=0,2l_x)

 

 

 

 

 

Конструктивный  расчет фермы.

Подбор сечений

h_вп=L/70=42/70=60cм 

h_вп= 2h_вп/3=2*60/3=40cм 

b_вп= b_нп =L/170=42/170=25cм 

 

1) Проверка верхнего пояса

Принимаем сечение из 18 досок толщиной 33мм (до острожки 40мм),  шириной 250мм.

 

-по локальной расчетной схеме

-по глобальной расчетной схеме

  0,83кН/см2<1,26кН/см2

Прочность верхнего пояса  обеспечена

 

2) Нижний пояс

Принимаем сечение фермы  из 12 досок толщиной 33мм (до острожки

40мм), шириной 250мм.

 

F_а=0,02F_нп=0,02*0,4*0,25=20см2,принимаем 2Ø36 F=20,36см2

Расчет по глобальной расчетной схеме на растяжение:

    0.738кН/см2<0,92кН/см2

 

Подбор сечения раскосов :

N_макс=-58кН, l_р=4,1м

Задаемся сечением 15*15см, проверяем на устойчивость:

   

  

 

0,911 кН/см2<1.74кН/см2

принимаем сечение 15*15см

 

 

Подбор сечения стоек:

N_макс=-33кН, l_р=1,85м

Задаемся сечением 10*10см, проверяем на устойчивость:

  

0,49кН/см2<1.74кН/см2

 

Расчет количества штырей в стыке производим по раскосам , работающим на растяжение N=19кН

ΣF_общ=N/R_y =19/(23*0.9)=1см2, принимаю 2Ø10 ΣF=1.56мм2.

Задаюсь l_з=30d=30*10=300мм

Определяю несущую способность  штыря на выдергивание:

Т=R_ск Π(d+0.5)lk_c=0,05*3,14*(1+0,05)30*1,44=7,12кН,

 где к=1,2-0,02*(l/d)=1,44

N_шт=19/7,12=3 штуки.

 

Стойки крепим 2Ø10мм конструктивно .

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет балочных опорных участков

 

По сеч. 0-0

Проверка на скалывание

0,315кН/см2<0,512кН/см2

 

 

По сеч. 1-1

Проверка на прочность и скалывание от М и Q балочных

М=579,9кНм,Q=259.7кН

В сеч. 1-1 стенка опорной  зоны h=5cм, задаемся ее толщ. 15см

h_сеч=1040мм.

1,08кН/см2<1.74кН/см2

Прочность обеспечена

 

0,29кН/см2<0,512кН/см2

 

По сеч. 2-2

Проверка на прочность и скалывание от М и Q балочных

М=1069,2кНм,Q=226,3кН

В сеч. 1-1 стенка опорной  зоны h=51cм, толщ. 15см

h_сеч=2080мм.

1,08кН/см2<1.74кН/см2

Прочность обеспечена

 

0,29кН/см2<0,512кН/см2

 

 

Проверка опорного узла на смятие:

0,0005кН/см2<1,33кН/см2

 

 

 

Расчет монтажного стыка

 

Нижний пояс

 

Проверка на прочность и скалывание от М и Q балочных

М=3023кНм,Q=0кН,N=1105кН

N_д=N-N_a=1105-1105(250*400)/(250*40+20*21)=253кН

Расчет количества штырей в стыке:

ΣF_общ=N/R_y =253/(23*0.9)=12.22см2, принимаю 4Ø20 ΣF=12.56мм2.

Задаюсь l_з=20d=30*20=600мм

Определяю несущую способность  штыря на выдергивание:

Т=R_ск Π(d+0.5)lk_c=0,06*3,14*(2+0,005)60*1,14=26кН,

  где к=1,2-0,02*(l/d)=1,14

N_шт=253/26=10штук.

 

Определяем количество тяжей:

Напряжение обжатия  для лиственницы σ=0,8МПа

N_тяж=bh₀σ=25*35*0.08=70kH

ΣF=70/28*0.9=3см2

Принимаю 2Ø14мм F=3,08см2

 

Расчет крепления уголка:

Принимаю Ø нагелей 25мм

Т_н=1,8*2,5² =11.6кН

n= 70/11.6=6 штук

Проверка уголка на прочность:

М=70*5=350кН

σ=М/W   W=(2.5²*30)/6=31.25см²

σ=350/31,25=11,2кН/см2

11,2кН/см2<R0.9=28*0.9=25.2кН/см2

Прочность обеспечена

 

Верхний пояс

 

Принимаю 2Ø 22 мм2

N_тяж=60*40*0,08=192кН

Требуемая площадь стержней

F=192/(28*0.6)=7.62см2 принимаю 2Ø22мм2 l=400мм.

 

Расчет крепления уголка :

Т_н=1,8*2,2² =8,71кН

n=N/n_срТ_н= 192/2·2·8,71=5,5 принимаю 6 штук

Проверка уголка на прочность:

М=192*3=576кН

σ=М/W   W=(2.5²*30)/6=31.25см²

σ=576/31,25=18,4кН/см2

18,4кН/см2<R0.9=28*0.9=25.2кН/см2

Прочность обеспечена

 

 

 

Конструирование и расчет связей.

Проектируем систему  связей жесткости в покрытии по деревянным пологим фермам пролетом 42м, шагом 6м производственного здания размером в плане 42х60м. Частично используется в качестве продольных элементов связей жесткости кровля, состоящая из утепленных плит.

Торцевые стены фахверковые  с навесными панелями. Стеновые панели крепятся к фахверковым стойкам, которые расположены через 6м, шарнирно присоединены к фундаменту и верху балок.

По торцам здания предусмотрены  две поперечные связевые фермы, поясами  которых служат стропильные фермы, а решетка состоит из раскосов и стоек продольных ребер плит, а также вертикальные связи и связи по колоннам. При таком решении вертикальных связей горизонтальная опорная реакция связевых ферм воспринимается наклонным подкосом вертикальных связей.

Нормативная постоянная нагрузка на 1м² покрытия расчетная нагрузка . Расчет ведем по наиболее опасному сочетанию нагрузок – постоянная нагрузка совместно с ветровой и снеговой нагрузками, умноженными на коэффициент сочетания .

Нормативная снеговая нагрузка для II района , расчетная с учетом коэффициента сочетания

Расчетная ветровая нагрузка для IV района при аэродинамических коэффициентах , для положительного ветрового давления и для отрицательного, с учетом коэффициента сочетания .

 

В качестве расчетной  схемы принята развертка хорд сегментных ферм.

 

 

 

 

 

 

Максимальные усилия в раскосах:

сжимающее - -21,2кН

растягивающее – 16,5кН

Предельная гибкость раскосов

;

Принимаем h=13см

Гибкость 

Принимаем сечение раскосов 13х13см с F=169см²

Прочность раскосов обеспечена (при сжатии)

Прочность раскосов обеспечена (при растяжении)

 

Узел крепления  раскосов

 

Соединительную пластину принимаем толщиной 4мм. Болты крепления  пластины, диаметром 12мм, располагаем в два продольных ряда. Несущая способность болта на один шов из условия изгиба панели:

Из условия сжатия в крайних элементах 

Требуемое количество болтов

Принимаем 4 болта.

 

 

 

Проверка соединительной пластины на центральное сжатие

Условие выполняется

Диаметр болта, с помощью  которого раскос крепится к фасонке, принимаем диаметром 20мм, t=4мм.

Несущая способность болта на срез:

где

Несущая способность  болта на сжатие:

где принят болт из стали  с временным напряжением 400МПа.

Проверяем сварной шов, соединяющий фасонку с пластиной  закладной детали.

Принимаем k_ш=4мм.

Длина шва по металлу  шва

Принимаем l_ш=8см.

Закладную деталь, присоединяющую раскосы к стропильной ферме  крепим 4 болтами. Усилие на один болт

Принимаем болт диаметром 20мм.

Несущая способность  болта из условия изгиба нагеля

Несущая способность  из условия сжатия нагеля

Центрально растянутые раскосы проверяем на прочность  с условием ослабления сечения

 

 

                                   Расчет вертикальной связевой  фермы

 

Усилие на одну вертикальную связь:

Р=(0,03*q*S)/2=(0.03*2.179*6*16.2)/2=3.176kH

Максим. усилия,  сжимающие  и растягивающие N=1,87кН.

 

 

Предельная гибкость раскосов

;

Принимаем h=103см

Гибкость 

Принимаем сечение раскосов 10х10см с F=100см²

Прочность раскосов обеспечена (при сжатии)

Прочность раскосов обеспечена (при растяжении)

 

Узел крепления  раскосов

 

Соединительную пластину принимаем толщиной 4мм. Нагели крепления пластины, диаметром 12мм.

 Несущая способность нагеля (из условия смятия древесины):

-из условия изгиба нагеля:

Определяем количество нагелей:

n=N/T=1.87/4.2=0.44 принимаем 2 нагеля.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Технико-экономические показатели

 

Для оценки весовой эффективности  и металлоемкости основной несущей конструкции определяем фактические коэффициент собственного веса и коэффициент металлоемкости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Средства защиты элементов конструкций

 

По назначению здания и температурно-влажностному режиму определили, что здание отапливаемое и влажность воздуха внутри здания при температуре до 35^оС – до 60 %, а максимальная влажность клееной древесины для конструкции – 9 %. Древесина, используемая в здании, для основной несущей конструкции – лиственница, а рекомендуемые типы и марки клеев – резорциновые и фенольно-резорциновые (ФР-12, ТУ 6-05-1748-75, ФРФ-50, ТУ 6-05-281-14-77).

Клееные элементы фермы не требуют биозащитной обработки, за исключением участков, соприкасающихся с металлическими деталями. Для защиты от увлажнения боковые поверхности древесины окрашивают влагозащитными эмалями (УРФ – 1128 по ТУ 6-10-1421-76). Толщина лакокрасочной пленки для конструкций группы А1 - 120±10мм (расход эмали на 1м² – 350гр).

Неклееные элементы деревянных конструкций группы А1 пропитывают в горячехолодных ваннах комбинированными растворами антисептика с поглощением сухой соли не менее 50кг и 2,5 – 3,5кг на 1м² древесины.

Обработка антисептиками: 5-10% раствор пентахлорфенола натрия, или препарата типа ХМББ-3324 (ГОСТ 23787.2-79 10% концентрации, бихромат натрия 2,5%, медный купорос 2,5%, борная кислота-3,3%, бура 1,7%, вода 90%).

Для защиты от возгорания несущих конструкций покрытия эффективна поверхностная обработка водными  растворами типа: ПП (калий углекислый 2,5%, керосиновый контакт 3%, вода 72%), МС (диаммония фосфат технический 20%, сульфат аммония технического 5%, керосиновый контакт 3%, вода 72%), ББ-11 по ГОСТ (бура техническая 10%, кислота борная 10%, вода 72%).

Удержание сухой соли антисептика на 1м² поверхности должно быть не менее 100гр. Приведенные антипирены легко вымываются, поэтому обязательно наносить лакокрасочное покрытие.