Конструирование и расчёт деревянных конструкций одноэтажного промышленного здания. 3

Министерство агентства по образованию

ГОУ ВПО

Саратовский государственный технический  университет.

Кафедра   ПГС

 

 

 

Пояснительная записка

к курсовому проекту:

”Конструирование и  расчёт деревянных конструкций

одноэтажного промышленного здания”.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Саратов 2007

 

Содержание

I. Задание на проектирование	3
II. Введение	4
III. Конструирование и расчёт  клеефанерной плиты покрытия	5
IV Конструирование и расчёт клеефанерной двускатной балки покрытия двутаврового сечения	12
V. Конструирование и расчёт дощатоклееной колонны   прямоугольного сечения	20
VI. Расчёт узла сопряжения колонны с фундаментом	25
VII. Расчет и проверка на смятие опорного бруса (распорки по колонне)	29
VIII. Список использованной литературы	30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Задание на проектирование

 

Исходные данные для проектирования :

Для здания с параметрами:

-пролёт 18 м

-шаг несущих конструкций 4 м

-длина здания 48

-высота колонны 9 м

-район строительства Вологда.

Необходимо спроектировать:

1. клеефанерную панель покрытия
2. двускатную клеефанерную балку двутаврового сечения (Б7)
3. дощатоклеенную колонну с узлом защемления в фундаменте(К1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II.  Введение

 

К индустриальным деревянным конструкциям относятся деревянные клееные конструкции, которые представляют собой крупноразмерные конструкции заводского изготовления. Применение клееных деревянных конструкций удовлетворяет требованиям технической политики в области строительства, так как снижает массу зданий и сооружений, обеспечивает их капитальность и длительность эксплуатации, а также уменьшает трудоёмкость возведения сооружений.

Древесина и конструкции на её основе обладают большой стойкостью по отношению  к агрессивным средам и поэтому  во многих случаях целесообразно  их применение в зданиях с агрессивными средами. Сравнительная лёгкость древесины с учётом её достаточно большой прочности и жёсткости позволяет перекрывать значительные пролёты. Масса древесины сосны и ели равна 0.5 т/м³

Долговечность деревянных конструкций, защищённых от загнивания только конструктивными мерами, достигает сотен лет.

В настоящее время помимо конструктивных мер для защиты деревянных конструкций  не только от гниения и древоточцев, но одновременно и от возгорания применяют  обработку химическими составами, что повышает их надёжность при многолетней эксплуатации.

Рассматривая области строительства, в которых целесообразно использовать деревянные конструкции, следует, прежде всего, указать на здания и сооружения, подвергающиеся некоторым агрессивным воздействиям. Это цехи химических производств, производственные здания сельскохозяйственного строительства.

Учитывая, что древесина для  некоторых районов страны является местным материалом, её целесообразно  использовать в качестве несущих  конструкций пролётных строений автодорожных мостов. Благодаря лёгкости деревянных клееных конструкций, их можно применять в зданиях общественного назначения, таких, как: крытые рынки, спортивные сооружения, выставочные павильоны и т. п. При строительстве крупных промышленных объектов клееные деревянные конструкции выгодно использовать для строительства сборно-разборных временных сооружений.

Для повышения качества клееных  деревянных конструкций необходимо переходить на применение для них  пиломатериала надлежащего качества, а для склеивания употреблять клей на основе резорцина.

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

III. Конструирование клеефанерной панели покрытия

 

Ввиду малости уклона верхнего пояса балки покрытия (уклон принимается до 10 %) считаем длину верхнего пояса балки равной пролету здания, т.е. 18 м. В этом случае можно принять номинальные размеры плиты 1,5´4,0 м. В продольном направлении длину плиты принимаем 3980 мм при зазоре между плитами 40 мм. Каркас плиты выполняем из сосновых досок 2-го сорта с расчетным сопротивлением скалыванию вдоль волокон при изгибе R_ск = 1,6 МПа (п. 5а табл. 3 [1]).

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 /: R_ф.с. = 12 МПА; = 6,5 МПа; R_ф.р. = 14 МПа; R_ск = 0,8 МПа. Листы фанеры принимаем длиной 1525 мм, стыкуя их в двух 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 = 400 / 35 = 11,4 см. С учетом сортамента досок и их острожки сечение средних продольных ребер 46´146 мм, крайних продольных ребер – 28´146 мм. Общее число продольных ребер – 4, что обеспечивает расстояние в свету между ребрами менее 50 см. Торцевые и поперечные ребра принимаем составного сечения высотой 146 мм и толщиной 28 мм. Число поперечных ребер – 2, что обеспечивает  расстояние между ними не более 1,5 м.

В качестве утеплителя принимаем минераловатные плиты. Толщину утеплителя определяем по средней суточной температуре  воздуха в январе (для Вологды t_ec = t₁ – D₁ = -10-20 = -30°С) и принимаем 80 мм. При высоте ребер 146 мм над утеплителем обеспечивается воздушная прослойка для вентиляции. Пароизоляция из полиэтиленовой пленки толщиной 0,2 мм. Для удержания утеплителя в проектном положении принимаем решетку из брусков 25´25 мм, которые крепятся гвоздями к ребрам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 

 

 

Сбор  нагрузок

 

 

Таблица №1

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка, кН/м2	Коэффициент надежности по нагрузке	Расчетная нагрузка, кН/м2
1. Постоянная
вес кровли	0,15	1,3	0,195
вес ребер	0,088	1,1	0,097
вес обшивок	0,10	1,1	0,11
вес утеплителя	0,134	1,2	0,16
2. Временная
снеговая	1,68		2,4
Итого:	2,152		2,962

 

Коэффициент надежности по нагрузки от веса конструкций определяется (по табл. 1 [1] ) т.е. равна 1,1.

Плиту рассчитываем как балку находящуюся  под воздействием равномерно распределенной нагрузки.

Рис. 2

 

Максимальные значения расчетных усилий.

3/1,5=2, плиту рассчитываем как однопролетную балку.

;

-изгибающий момент 

-поперечная сила 

 

 

Расчет плиты  по 1 группе предельных состояний.

 

, где  - расчетное сопротивление фанеры растяжению, равное 14 мПа. (таблица10 [2] ), - коэффициент учитывающий снижение расчетного сопротивления в стыках фанерной обшивки (при зубчатом соединении); момент сопротивления сечения приведенного к фанере; , где момент инерции фанерных обшивок.

момент инерции поперечного  сечения рёбер каркаса. модуль упругости

древесины (п.3.5 [2]). модуль упругости фанеры мПа (таб.11).

 Геометрические характеристики сечения: 

Момент инерции сечения фанерных обшивок относительно центральной оси сечения X равен: где - расчетная ширина фанерных обшивок;

Момент инерции досчатых рёбер  относительно оси X равен: где и - соответственно ширина и высота ребра.

Материалы, входящие в материал сечения  плиты приводим к фанерной обшивке

 

=16934,3см ;

;

Проверка пяти условий прочности:

 

1.Проверка верхней обшивки на сжатие с учетом устойчивости при общем изгибе плиты:

Рис.3.

– 12 мПа расчетное сопротивление фанеры (сжатию).

мПа<12мПа.

Недонапряжение составило 17,5 %.

 

2.Проверка устойчивости верхней обшивки на местный изгиб между продольными ребрами от сосредоточенного груза.

Момент сопротивления сечения  обшивки с расчетной шириной 100 см:

 

Проверка верхней обшивки на местный изгиб.

 

Рис.4.

 

=6,2мПа *1,2=7,8мПа 

Недонапряжение составило 20 %.

 

3.Проверка нижней обшивки на растяжение при общем изгибе плиты:

 

,

Недонапряжение составит 51 %.

 

4.Проверка клеевого шва между шпонами фанеры на скалывание.

 

На скалывание проверяют швы  в месте примыкания обшивки к  рёбрам.

 где  максимальная поперечная сила ;приведенный статический момент нижней или верхней обшивки относительно оси х;

суммарная ширина продольных ребер ; расчетное сопротивление скалывания клеевых швов между шпонами фанеры равное 0,8 мПа(таб.10[2])

  ; мПа.

Недонапряжение составит 63%.

 

 

5. Проверка продольных  ребер на скалывание.

 

Приведенный статический момент половины сечения относительно нейтральной оси сечения плиты

 

 

 

Расчет плиты покрытия по II группе предельных состояний.

Относительный прогиб от нормативной  нагрузки:

 так как угол покрытия  i=10% тогда ( ) =

Запроектированная клеефанерная плита  покрытия имеет прогиб от нормативных  нагрузок не превышающий предельного  допустимого значения, и ее несущая  способность имеет дополнительный запас несущей способности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            

 

 

 

 

 

    IV.  Проектирование двускатной клеефанерной балки покрытия двутаврового сечения.

 

            В качестве несущей конструкций покрытия принимаем двускатные клеефанерные балки двутаврового сечения. Расстановка балок здания через 4 м. При ширине здания 18 м расчетный пролет принимаем 17.7м. Клеефанерные панели укладывают непосредственно на балку. Балка состоит из фанерных стенок, дощатых поясов и ребер, склеенных между собой.

Для стенок используем  фанеру марки  ФСФ(ГОСТ 3916-69)толщиной 15мм. Высота балки в середине пролета , принимаем 1,8м;

Высота балки на опоре: мм.Оба пояса балки принимаем одинакового сечения из шести вертикальных слоев досок сечением 275х50мм,с учетом их фрезерования сечение чистой доски 270х46 .

В фанерных листах стенки волокна  наружных шпонов расположены вдоль  балки, поэтому стыкование фанеры осуществляется « на ус».

Для обеспечения жесткости фанерной стенки поставлены ребра жесткости, склеенные из четырех досок сечением 70х144 мм. Размеры поперечных ребер жесткости приняли в соответствии с высотой полки h=270, их ширина равна половине полки:270/2=135, приняли 144. Они расположены в стыках, а если требуется и посередине фанерных листов.

По длине ребра устанавливаются  с шагом 1/8-1/10 от пролета. На опорах установливаются ребра по ширине равные высоте полки h=270. Принимаем по сортаменту 75*275мм, с учетом усушки и фрезеровки имеем 70*270мм.

Расстояние между осями ребер фанерного листа поле обрезки кромок равно 1480мм. При этом расстояние между осями ребер жесткости (а ) получаем равным длине фанерного листа, уменьшенной на длину соединения «на ус», которое равно десятикратной толщине фанеры 10 = =150мм; тогда а =1480-150=1330мм.

В случае необходимости можно усилить  двумя дополнительными листами  фанеры.

Верхний пояс и ребра жесткости изготовляют из древесины 2 сорта, нижний пояс – из древесины 1 сорта.

Геометрические размеры  балки. Расчетный пролет балки 17,7м, полная длина балки с учетом опорной площадки длиной 200мм равна l=17.7+ м.

 

Таблица 2. Подсчет нагрузок на 1 м горизонтальной проекции покрытия.

Нагрузка	Нормативная, кН/м	Коэф. надежности по нагрузке	Расчетная, кН/м
Постоянная: Рубероидная кровля Утеплитель-плита мин.ватная Клефанерная панель Собственный вес балки Временная (снеговая)	0,15   0,1 0,322 0,14 1,68	1,3   1,2 1,1 1,1	0,195   0,12 0,367 0,154 2,4
Всего	2,392		3,116

Собственный вес клеефанерной балки: ,

где к -коэффициент собственного веса для клеефанерных балок =3,5.

кН/м;  кН/м.

 

Расчет клеефанерных балок проводят с учетом совместной работы дощатых  поясов и фанерных стенок без учета  податливости соединений. Расчет производиться по методу приведенного сечения по СНИП II-25-80 в частности олсобенностей расчета клееных элементов из фанеры с древесиной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5

 

 

Расчетная схема балки:

Рис.6.

 

Опорная реакция:

кН.

Максимальный изгибающий момент в середине пролета балки.

кН

Расстояние от опоры до сечения, где наибольшие нормальные напряжения:

м.

м, высота между центрами поясов =0,91-0,27=0,64м.

кН.

Расстояние  от  оси левого опорного ребра  до оси первого промежуточного ребра  жесткости: м. расстояние от левой опоры до середины первой панели: м.

м.

м.

м.

 

1.Проверка принятого сечения балки.

 

Расчет проводят с учетом работы фанерной стенки на нормальные напряжения. Основная доля нормативных напряжений воспринимается поясами, поэтому при определении напряжений надо сравнивать их с расчетным сопротивлением древесины сжатию и растяжению. Опасным сечением является сечение в середине пролета.

  Определяем геометрические характеристики поперечных сечений, в которых требуется проверить напряжения – в опасном сечении в половине пролета . Высота сечения балки h=1800мм.

 

Высота  сечения между осями поясов м.

м-высота сечения между осями поясов.

Приведенный к дереву момент инерции поперечного сечения балки :

 +

Нижний пояс проверяется на растяжение:

мПа<12мПа.

где Rр=12 мПа- расчетное сопротивление растижению древесины 1 сорта.

Недонапряжение-31%

Верхний пояс проверяется на сжатие с учетом его устойчивости из плоскости балки:

где 13 МПа - расчетное сопротивление древесины II сорта

Недонапряжение-21,5%

 

2. Проверка фанерной стенки в  опасном сечении на растяжение:

к-т, учитывающий снижение расчетного сопротивления фанеры, стыкованной на «ус», при работе её на изгиб в плоскости листа.

к-т повышающий модуль упругости  фанеры на 20%.

расчетное сопротивление фанеры растяжению в плоскости листа вдоль волокон наружных слоев шпона. =14МПа.

Недонапряжение-61%

Условие выполняется.

 

3. Проверка стенки  на действие главных растягивающих  напряжений.

Проверку стенки на действие главных  растягивающих напряжений при действии распределенной нагрузки осуществляют в зоне первого от опоры стыка фанерных стенок.

Расстояние от левой опоры до первого стыка фанерной стенки Х=870мм

Внутренние усилия в выбранном  сечении балки:

 

4,9>4.7, перенапряжение составляет 4,3%. Т.к. 4,3%<5% , то утолщать фанерную стенку не требуется.

 

4. Проверка местной  устойчивости фанерной стенки.

Проверка выполняется для сечений в середине опорной панели балки при условии ,где -высота стенки между внутренними гранями полок -толщина фанерной стенки.

x=0,484м

h(x)=0.9+0.1*0.484=0.9484м

h_ст(x)  =0.9484-2*0.27=0.4084м

  0,4084/0,015=27,2<50

 

x=1.535м

h(x)=0.9+0.1*1.535=1.05м

h_ст(x) =1.05-2*0.27=0.51м

  0.51/0,015=34.2<50

 

x=2.865м

h(x)=0.9+0.1*2.865=1.1865м

h_ст(x)  =1.1865-2*0.27=0.6465м

  0.64/0,015=43.1<50

 

Х=4.195м

h(x)=0.9+0.1*4.195=1.32м

h_ст(x)  =1.32-2*0.27=0.7795м

  0.7795/0,015=52>50

  Делаем проверку.

Определяем предварительно:

-Длина опорной панели – расстояние  между ребрами жесткости в  свету,

   a =1.186м;

- Расстояние от центра сечения до оси опоры: x=4.195м;

Высота балки в расчетном сечении: h=1.32мм;

- Момент инерции и статический  момент половины сечения для расчетного сечения, приведенные к фанере:

 

 =

-Внутренние усилия в сечении:               

Расчет по определению устойчивости стенки с продольным расположением волокон наружних слоев производиться по формуле  (48) п.4.30.СНИП II-25-80 :

- коэффициенты, определяемые по  графику рис.18,19 прил.5СНИП II-25-80;

-толщина фанерной стенки;

-нормальные и касательные напряжения в стенке от изгиба на уровне внутренней кромки поясов в расчетном сечении (в середине расчетной панели балки);

-расчетная высота стенки, которую  следует принимать равной  при расстояние между ребрами а и равной а,  если а   1186 >780, принимаем =

Кроме указанного сечения, проверку необходимо выполнить для опорного сечения, с мах напряжением изгиба.

По таблице  для семислойной фанеры.

.

Так как в следующей панели расстояние между ребрами жесткости такое же как и в этой, то проверять фанерную стенку на устойчивость из плоскости изгиба не требуется.

 

5. Проверка фанерных  стенок в опорном сечении на срез в уровне нейтральной оси:                      

-мах значение поперечной силы;

, - момент инерции и статический момент инерции опорного сечения, приведенные к фанере.

-расчетное сопротивление фанеры  срезу перпендикулярно плоскости  листа

=6МПа (для семислойной фанеры);

    ; 

 

6. Проверка фанерных стенок в опорном сечении на скалывание по вертикальным швам между поясами и стенкой .

-расчетное сопротивление фанеры  скалыванию в плоскости листа,

=0,8МПа (для семислойной фанеры);

- суммарная длина вертикальных  швов между стенкой и поясами

=0,27*2-0,006*2=0,528 м

 

 

7. Проверка прогиба от действия нормальной нагрузки

 

Прогиб балки определяем с учетом коэффициента, учитывающего влияние  переменности высоты сечения, и коэффициента, учитывающего влияние деформаций сдвига от поперечной силы.

<

 

l =17.7 м – пролет балки

k – коэффициент, учитывающий влияние переменности высоты сечения;

с – коэффициент, учитывающий влияние деформаций сдвига от   

            поперечной силы.

     k и с – значение коэффициентов по СНиП II-25-80:7

      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V.  Конструирование и расчёт дощатоклеенной колонны

 

Предварительный подбор сечения колонн

 

Задаемся гибкостью колонны l=100. Предварительные размеры сечения колонны примем:

 

         

 

Из-за отсутствия досок такой ширины принимаем доски шириной 125 мм и 225 мм с предварительной склейкой их по кромкам в щит. Фактическая  ширина с учетом припусков на усушку и механическую обработку составит:

 

b_к = ( 125 – 10 ) + ( 225 – 15 ) = 325 мм

 

Для изготовления колонн используем сосновые доски 2-го сорта толщиной 40 мм. После двухстороннего фрезерования (острожки) толщина досок составит:

 

t_ф = 40 – 2*3,5 = 33 мм

 

С учетом принятой толщины досок высота сечения колонн будет:

 

h_к = 33 * 21 = 693 мм

 

Сбор нагрузок:

 

Нагрузка от собственного веса колонны:

Р_С.К. = h_k * b_k * H * r = 0,693 * 0,325 * 9 * 500 = 1013,5 кг = 10,14 кН

Вертикальные нагрузки, действующие  на поперечную раму, можно свести в таблицу.

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка, кН/м2	Коэффициент надежности  по нагрузке	Расчетная нагрузка, КН/м2
1. Постоянная
- вес кровли	0,15	1,3	0,195
- собственный вес плит	0,322	1,1	0,367
- вес утеплителя	0,1	1,2	0,12
2. Собственный вес балок	0,14	1,1	0,154
3. Собственный вес колонн (в кН)	10,14	1,1	11,15
4. Временная
- снеговая	1,68		2,4

Итого                                                  12,53                                                    14,27

По карте прил. 5 [2] г. Вологда относится к I ветровому району и, значит нормативное значение ветрового давления принимаем w₀ = 0,23 кН/м². Для типа местности «С» находим значение коэффициента к = 0,4.

По приложению 4 [2] определяем аэродинамический коэффициент для наветренной и подветренной стороны здания:

• для наветренной С_е = +0,8
• для подветренной при   и  при  принимаем С_е3 = - 0,5.

Коэффициент надежности для ветровой нагрузки определяем по п. 6.11 [2]. Расчетные значения погонной ветровой нагрузки для активного и пассивного давления:

 

W⁺ = 0,23 * 0,4 * 0,8 * 1,4 * 4 * = 0,41 (кН/м)

W^- = 0,23 * 0,4 * (-0,5) * 1,4 * 4 = - 0,26 (кН/м)

 

Ветровая нагрузка, передаваемая от покрытия, расположенного вне колонны:

 

W⁺ = w⁺ * h_оп = 0,41 * 0,9 =0,369 (кН)

W^- = w^- * h_оп = 0,26 * 0,9 = 0,234 (кН)

 

Определение расчетных усилий: Рама один раз статически неопределимая система. За неизвестное принимаем продольное усилие «Х» в ригеле, которое определяем для каждого вида загружения отдельно :

• от ветровой нагрузки, приложенной в уровне ригеля

 

Х_w = 0,5 * (W⁺ - W^-) = 0,5 * (0,369 – 0,234) = 0,068 кН

 

• от ветровой нагрузки на стены:

 

 

Изгибающие моменты в заделке  стоек:

 

 

 

Продольные силы в заделке стоек:

 

 

Таким образом, расчетные усилия для  расчета колонны составят: М = 17.1 кНм и N = 127.6 кН

 

Расчет  колонны на прочность в плоскости  рамы.

 

Расчетная длина колонны в плоскости  рамы

 

l₀ = 2,2 * Н = 2,2 * 9 =19.8 м

 

Площадь сечения колонны

 

А_НТ = А_бр = h_к * b_к = 0,693 * 0,325 = 0,225 м²

 

Момент сопротивления прямоугольного сечения

 

 

Гибкость колонны в плоскости  рамы

 

, следовательно коэффициент продольного изгиба определяем по формуле (8) [1]:

 

 

Для сосновой древесины второго  сорта и при принятых размерах поперечного сечения по табл. 3 [1] находим расчетное сопротивление сжатию R_c = 15 Мпа. По п. 3.2. [1] находим коэффициенты условий работы: m_н = 1,2; m_d = 0,93. Окончательное значение расчетного сопротивления составит:

 

R_с = 15 * 1,2 * 0,93 = 16.74 Мпа

 

Найдем значение коэффициента x:

 

 

Найдем значение изгибающего момента  от действия поперечных и продольных нагрузок

 

 

Найдем нормальные напряжения и  сравним их с расчетным сопротивлением

,