Проектирование одноэтажного каркасного здания из деревянных конструкций. 5
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное
учреждение высшего
профессионального образования
«Пензенский Государственный Университет Архитектуры и Строительства»
Инженерно-строительный институт
Кафедра «Строительные конструкции»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К курсовому проекту на тему:
Проектирование одноэтажного каркасного
здания из деревянных конструкций
Автор проекта: Эльдар
Специальность: 2903 Группа ПГС-51
Обозначение: КП-2069059-******-09
Руководитель проекта: *******
Проект защищен:
(дата) (оценка)
ПЕНЗА, 2009
Содержание:
1. |
Компановка конструктивного остова здания……………………………………………… |
3. | |
2. |
Проектирование панели со сплошным срединным слоем…………………………………. |
4. | |
2.1 |
Выбор конструкции………………………………………………… |
4. | |
2.2 |
Подсчет нагрузок………………………………………………………… |
5. | |
2.3 |
Определение геометрических характеристик………………………………………… |
5. | |
2.4 |
Определение расчетных усилий……………………………………………………….. |
6. | |
2.5 |
Проверка несущей
способности панели……………………………… |
6. | |
2.6 |
Проверка прогибов панели…………………………………………………………… |
7. | |
2.7 |
Расчет на местные нагрузки…………………………………… |
7. | |
3. |
Проектирование круговой арки……………………………………………………………… |
8. | |
3.1 |
Выбор геометрической схемы…………………………………………………………. |
8. | |
3.2 |
Подсчет нагрузок..…………………………………………………… |
9. | |
3.3 |
Определение усилий в сечениях арки………………………………………………… |
11. | |
4. |
Конструктивный расчет арки……………………………………………………………….. |
12. | |
4.1 |
Подбор сечения арки…………………………… |
12. | |
4.2 |
Проверка прочности сечений………… |
12. | |
4.3 |
Расчет затяжки………………………………………… |
14. | |
4.4 |
Расчет узлов……………………………………………… |
14. | |
5. |
Расчет стойки…………………………………………… |
18. | |
6. |
Список используемой литературы…………………………………………………… |
23. | |
1. Компановка конструктивного остова здания.
Необходимо разработать проект одноэтажного каркасного здания из деревянных конструкций (надземная часть). Здание предназначено для использования в качестве спортивного корпуса. Предусматривается, что строительство будет производиться в III снеговом районе и IV ветровом районе. Ширина здания в осях 42 м., длина здания 66 м., шаг поперечных рам 6 м., полезная высота 11 м. В качестве покрытия будет использоваться плоская металлическая кровля. Материал из которого изготовляются несущие конструкции лиственница. Рама трех шарнирная клеедощатая. В качестве ограждающих конструкций будут использоваться трехслойные плиты с заполнителем из пенопласта. Простота изготовления, надежность и экономичность арок способствовала ее применению в покрытии проектируемого здания.
Клееные деревянные арки являются более эффективными как с экономической, так и с эстетической точки зрения по сравнению с балочными конструкциями. Они имеют наиболее широкий диапазон применения в зданиях и сооружениях различного назначения. Арочные конструкции используются в покрытиях производственных, складских, зрелищных, выставочных, спортивных, зрелищных, общественных и других зданий и сооружений как больших, так и малых пролетов.
Арки являются распорными конструкциями. Наличие распора уменьшает расчетные изгибающие моменты в них по сравнению с моментами балочных конструкций, что в свою очередь приводит к уменьшению рабочих сечений, а, следовательно, к снижению расхода материала. Распор воспринят стальной затяжкой.
Так как пролет более 30 м, то клееная деревянная арка запроектирована трех шарнирной из условия изготовления и транспортировки и собирается из двух гнутых элементов. Очертание арки круговое, описанное по дуге окружности вокруг одного центра.
Основные узловые соединения трех
шарнирной арки – опорные и коньковые
шарниры. В большепролетных арках с затяжками
предусматриваются – стыки затяжек и
узлы крепления подвесок. Опорные и коньковые
шарниры выполнены с применением валиковых
шарниров.
2. Проектирование панели со сплошным
срединным слоем.
Требуется запроектировать утепленную панель покрытия производственного здания. Панели укладываются непосредственно на несущие конструкции, устанавливаемые с шагом 6 м. В целях максимальной сборности принимаем размеры панели в плане 3000x6000 мм. Верхняя обшивка принята из алюминиевого листа толщиной 1 мм., а нижняя из стали толщиной 1 мм. Средний слой – из полихлорвинилового пенопласта марки ПХВ-1 с объемной массой 100 кг/м3. Обрамляющие элементы панели выполнены из гнутых фанерных профилей швеллерного типа высотой 200 мм.
2.1 Выбор конструкции и назначение основных размеров
поперечное сечение панели и основные его размеры показаны на рис.1
Рис.1 Поперечное сечение панели.
Общую высоту панели назначаем в пределах с учетом стандартного размера высоты обрамляющего элемента (швеллера) и с соблюдением условия, что . Принимаем h=200+1+1=202 мм., что составляет примерно . Расстояние между осями обшивок h0=201 мм.
В целях экономии материала срединного слоя (при hр>80 мм.) внутри его выполняются пустоты, располагаемые вдоль длины панели. Ширину пустот принимаем b0=200 мм. (< 250 мм.).
Расстояние сп от обшивки до пустоты, принимаем в пределах , назначаем сп=35 мм.
Толщина пенопласта d между пустотами пенопласта принята равной 45 мм, что дает возможность равномерно распределить пустоты по ширине панели и отвечает требованию чтобы оно было больше 40 мм. и больше
2.2 Подсчет нагрузок.
Постоянную нагрузку от покрытия подсчитываем по фактическому весу всех элементов (обшивок, обрамления и срединного слоя) панели. Результаты подсчета приведены в таблице 1.
Сбор нагрузок
Таблица 1
№ п/п |
Вид нагрузки |
Нормативная qн, кН/м2 |
Расчетная qн, кН/м2 | |
|
1
2
3
4
|
Постоянные нагрузки–верхняя обшивка (алюминий) =1 мм. –утеплитель (пенопласт =100 кг/м3) –обрамление (фанерный швеллер) –нижняя обшивка (сталь) =1 мм
Итого постоянная |
0,026
0,028
0,029
0,0785
0,231 |
1,1
1,2
1,1
1,1
|
0,0286
0,0289
0,031
0,0864
0,264 |
Временная нагрузка–снег |
1,26 |
1,8 | ||
Всего |
1,491 |
2,064 |
2.3 Определение геометрических характеристик
Прежде чем определить геометрические характеристики, проверим, к какому типу относится панель. Для этого проверим условия:
где .
Условия выполняются, следовательно, панель относится к четвертому типу (согласно классификации [1]), то есть к панелям со сплошным срединным слоем. Для таких панелей обрамляющие ребра, расположенные по контуру, в работе не учитываются. Геометрические характеристики подсчитывают без учета срединного слоя для расчетной полосы, равного 1 м. Принимая во внимание, что обшивки сделаны из различного материала, то все геометрические характеристики будем приводить к материалу верхней обшивки.
Приведенный статический момент
Площадь, приведенная к материалу верхней обшивки
Определяем положение нейтральной оси
Приведенный момент инерции относительно нейтральной оси
Приведенный момент сопротивления
2.4 Определение расчетных усилий
Проверяем, не относится ли панель к гибким пластинам, используя выражения:
886,65<7153, следовательно, панель не относится к гибким пластинам. Рассчитываем панель, как свободнолежащую балку на двух опорах с расчетным пролетом .
2.5 Проверка несущей способности панели
Проверка прочности растянутой обшивки:
Так как толщина сжатой обшивки меньше 4 мм., то прочность ее проверяем с учетом начальной кривизны по формуле
где .
Проверка прочности срединного слоя
-по нормальным напряжениям
где ;
-по касательным напряжениям
-по эквивалентным напряжениям
2.6 Проверка прогибов панели
Изгибная жесткость панели с учетом податливости срединного слоя равна:
где .
Проверяем прогиб панели по формуле:
2.7 Расчет на местные нагрузки
В качестве местной нагрузки принимаем монтажный груз Pн=1000 Н с коэффициентом надежности . Интенсивность действия местной нагрузки
Радиус приведенного круга:
Значения коэффициентов при характеристике
1) ;
2) ;
Проверяем прочность:
а) по нормальным напряжениям в обшивке:
,
.
б) по касательным напряжениям в обшивке:
,
в) по нормальным
сжимающим напряжениям в
3.0 Проектирование круговой
арки
Трехшарнирные арки являются статически определимыми системами, поэтому определение усилий в них не вызывает каких-либо трудностей. Весь статический расчет будем производить в следующей последовательности:
- выбор геометрической схемы;
- подсчет нагрузок и выявление характера их действия;
- определение усилий в сечениях и составление сводной таблицы усилий.
- Выбор геометрической схемы.
За геометрическую схему, а в равной степени и за расчетную схему арки принимают линию, соединяющую центры тяжести сечений, т.е. геометрическую ось арки (рис.2).
Для арки с затяжкой геометрический расчет сводится к следующему.
При известной величине пролета l=42 м. и принятой стреле подъема f=6 м. радиус кривизны r арки кругового очертания определяется по формуле
Центральный угол раскрытия выполняется по формуле
Длину дуги арки S определим выражением
Рис.2 Расчетная схема арки
- Подсчет нагрузок.
1. Постоянная
нагрузка от покрытия
2. Снеговую нагрузку будем подсчитывать по [10].
Вариант 1. При равномерно распределенной снеговой нагрузке интенсивностью
( =1,6–коэффициент надежности по нагрузке, согласно [10] при ).
Вариант 2. При распределенной по треугольнику треугольной нагрузке с максимальной ординатой
3. Ветровая нагрузка определяется по [10].
Характер действия ветровой нагрузки показан на рис.2.
Интенсивность ветровой нагрузки подсчитывается по формулам:
где – скоростной напор для второго района;
C–аэродинамический коэффициент;
B–коэффициент, учитывающий изменение скоростного напора по высоте (для местности типа B [10 табл.6] при высоте H=11м. К=0,44 ; при H=15,2 м. К=0,61 ; при H=17 м. К=0,68; другие значения К находятся по интерполяции);
–коэффициент надежности по нагрузке, равный 1,4.
Рис.3 Схема ветровой нагрузки на арку.
Для каждой зоны (см. рис.3 ) принимаем средние значения коэффициентов Ci и Ki.
При и имеем Ce1= -0,2; Ce2= -0,8; Ce3= -0,4.
Другие коэффициенты показаны на рис.16.
4. Собственный
вес арки подсчитываем по
где qн и pн – соответственно постоянная (вес покрытия) и временная (снег) нагрузки, действующие на арку;
Kс.в – коэффициент собственного веса, для арки принимаем равным 4.
Величина распределенной нагрузки от собственного веса:
– нормативная
– расчетная
На 1 м2 горизонтальной проекции
Погонные нагрузки на арку при шаге 6 м.:
– постоянная
– снеговая:
Вариант 1
Вариант 2
– ветровая:
Полная расчетная схема рамы дана на л. 1.
3.3 Определение усилий в сечениях арки.
Усилия в сечениях арки подсчитываем с помощью ЭВМ по программе “Арка”.
По результатам распечатки находим расчетные значения усилий M, Q, N при различных видах загружения и различных сочетаниях нагрузок. Результаты расчета приведены в таблице 3.
Таблица 3.
L |
f |
r |
n |
Нагрузки | |||||||
q |
s1 |
s2 |
s3 |
w1 |
w2 |
w3 |
w4 | ||||
|
42.00 |
6.00 |
39.75 |
5 |
3.10 |
9.45 |
19.20 |
9.60 |
0.49 |
2.19 |
2.19 |
0.98 |
- Конструктивный расчет арки
- Подбор сечения арки.
Сечение арки принимаем прямоугольным, склеенным из досок плашмя. Задаемся, согласно рекомендациям СНиП, высотой арки равной , и уточняем ее, исходя из целого числа склеиваемых досок. Принимаем 28 досок толщиной 42 мм. и шириной 192 мм (что соответствует нестроганным стандартным доскам 200x50 мм.). Тогда размеры сечения будут =1176x192 мм. Древесина принята первого сорта, для которой
14 МПа, 1,6 МПа. С учетом коэффициентов mп=1,2, mб=0,85 (при h=117 см.), mсл=0,95 (при 42 мм.) и mгн=1,0 (при 946>500) величина расчетного сопротивления будет равна
Для принятого сечения имеем
4.2 Проверка прочности сечений.
Проверяем прочность наиболее нагруженного сечения (с максимальным изгибающим моментом) т.е. сечения 3, где M=-286.8 кН м, N=-299.434 кН.
Находим значение коэффициента , для чего сначала подсчитываем коэффициент по формуле
Проверяем прочность сечения по формуле
Вывод: Прочность сечения обеспечена.
Проверяем клеевые швы на скалывание:
Вывод: Прочность клеевых швов на скалывание обеспечена.
Проверку устойчивости арки производим по формуле
Считаем, что арка раскреплена по верхней кромке связями, которые ставятся через 3 м. Нижняя кромка не имеет раскреплений, т.е. вертикальные и горизонтальные связи по нижним поясам отсутствуют. Учитывая, что расчетная нагрузка в проверяемом выше сечении создает положительные изгибающие моменты, за расчетный участок lр принимаем расстояние между связями, т.е. lр=3000 мм.
Подсчитываем коэффициенты:
(коэффициент kф принят равным 1,0 ввиду небольшого изменения моментов на концах рассматриваемого участка lр).
Проверяем устойчивость арки
Вывод: Устойчивость обеспечена.
Однако арку необходимо проверить еще на устойчивость плоской формы деформирования с учетом сочетания нагрузок, которые вызывают отрицательные изгибающие моменты (растяжение в верхней кромке и сжатие в нижней). Расчетные усилия будут равны: M=-286,8 кНм, N=-299,434 кН.
Для такого случая имеем:
Величины коэффициентов, учитывающих закрепление из плоскости деформирования со стороны растянутой от момента М кромки. При m>4 (в нашем случае ) они имеют следующие значения:
где -центральный угол, рад, определяющий участок
Проверяем устойчивость арки:
Вывод: Устойчивость обеспечена.
Проверяем устойчивость арки из плоскости:
где Таким образом, принятое сечение арки удовлетворяет требованиям прочности и устойчивости.
- Расчет затяжки.
Максимальное
усилие в затяжке Н=113,925+347,288=
Затяжка выполнена из двух стальных уголков марки ВСт3пс6-1.
Требуемая площадь уголков
а одного уголка
Принимаем уголок 90x90x7 (F=12,28 см2 > 11,3 см2).
4.3 Расчет узлов.
Опорный узел.
Расчетные усилия: N=530,829 кН, Q=58,8 кН.
Конструкцию опорного узла принимаем с валиковым шарниром. Материал шарнира- сталь марки 10Г2С1 (Ry=310 МПа).
Расчет валикового шарнира на изгиб и упорных пластин на смятие производим на равнодействующую усилий N и Q в шарнире:
Рис.4 – схема опорного узла.
Принимая расстояние между упорными пластинками в арке , находим величину изгибающего момента в валике:
Требуемый момент сопротивления валика
Принимаем валик диаметром d=75 мм. (W=41,4 см3 > 41,29 см3).
Проверяем валик на срез по формуле
Принятый валик удовлетворяет требованиям прочности.
Толщину упорных пластин принимаем из условия смятия. Общая толщина пластин в арке и опорном башмаке должна быть не менее
Принимаем толщину пластин в арке равной 16 мм., а в опорном башмаке- 32 мм.
Торец арки проверяем на смятие. Величина напряжений смятия при действии расчетной продольной силы не должна превышать расчетного сопротивления смятию (RСМ=14 МПа). Усилие от шарнира передается на башмак длиной lб=600 мм. через гнутый швеллерный профиль двумя боковыми ребрами.
Площадь смятия торца арки под швеллером
Условие прочности
Прочность обеспечена.
На болты, присоединяющие оголовок, действуют усилия Nб, вызываемые поперечной силой:
Необходимый диаметр болта определяем, исходя из его несущей способности, по изгибу:
При n=2 (два болта) имеем
Принимаем конструктивно два болта d=16 мм.
Упорную плиту башмака рассчитываем как балку на опорах, загруженную в середине пролета силой N. Максимальный изгибающий момент в такой балке
где l1=120 мм.- расстояние между боковыми пластинами опорного башмака.
Принимая ширину плиты b1=400 мм., находим требуемую толщину по формуле
Принимаем толщину плиты равной 34 мм.
Размеры опорной плиты башмака назначаем из условия смятия опорной деревянной подушки под действием максимальной опорной реакции: A=263,55 кН, т.е.
Принимая B=240 мм., найдем, что
Принимаем L=400 мм. Толщина опорной плиты назначают из условия работы ее на изгиб. Опасными являются консольные участки для которых изгибающий момент
Толщина опорной плиты должна быть не менее
Принимаем . Сварные швы, соединяющие детали узла между собой, рассчитываются в соответствии с требованиями СНиП II-23-81*. Нормы проектирования. Стальные конструкции.
Коньковый узел.
Коньковый узел в целях унификации выполняем аналогично опорному, т.е. тоже с применением валикового шарнира. Усилия: в узле N=461,213 кН, Q=49,612 кН.
Расчет валикового шарнира на изгиб и упорных пластин на смятие производим на равнодействующую усилий N и Q в шарнире:
Рис.5 – схема конькового узла.
Принимая расстояние между упорными пластинками в арке , находим величину изгибающего момента в валике:
Требуемый момент сопротивления валика
Принимаем валик диаметром d=75 мм. (W=41,4 см3 > 35,9 см3).
Проверяем валик на срез по формуле
Принятый валик удовлетворяет требованиям прочности.
Толщину упорных пластин принимаем из условия смятия. Общая толщина пластин в арке и опорном башмаке должна быть не менее
Принимаем толщину пластин в левой полуарке равной 14 мм., а в правой- 28 мм.
Торец арки проверяем на смятие. Величина напряжений смятия при действии расчетной продольной силы не должна превышать расчетного сопротивления смятию (RСМ=14 МПа). Усилие от шарнира передается на башмак длиной lб=600 мм. через гнутый швеллерный профиль двумя боковыми ребрами.
Площадь смятия торца арки под швеллером
Условие прочности
Прочность обеспечена.
На болты, присоединяющие оголовок, действуют усилия Nб, вызываемые поперечной силой:
Необходимый диаметр болта определяем, исходя из его несущей способности, по изгибу:
При n=2 (два болта) имеем
Принимаем конструктивно два болта d=16 мм.
5. Расчет стойки.
В целях унификации принимаем для стойки те же доски что использовались для проектирования арки =42 мм. и шириной 192 мм. (что соответствует не строганным стандартным доскам 200x50 мм.). Задаемся высотой сечения в пределах . В соответствии с этими размерами принимаем 24 доски =42 мм., итого .
Рис.6 – сечение колонны.
Расчет рамы будем производить по схеме приведенной на рис.7
Рис.7 – расчетная схема рамы.
Для расчета найдем усилия M,N,Q, для этого найдем горизонтальные составляющие ветровой нагрузки W и W/.
Горизонтальные составляющие:
Вертикальные составляющие:
Усилие N будет представлять собой сумму усилий от постоянной нагрузки =198,45 Кн, снеговой нагрузки =65,1 кН и собственного веса колонны .
Находим значение ветровой нагрузки действующей на колонну:
- слева ;
- справа .
Находим усилие, передающееся на стойку , где
Находим значения моментов и поперечных сил в правой и левой стойках. Расчет будем производить по схеме показанной на рисунке 9:
Рис.9 – расчетная схема стойки.
–левая стойка
;
.
–правая стойка
;
.
Геометрические характеристики для принятого сечения
Площадь сечения ;
Момент сопротивления ;
Момент инерции ;
Радиус инерции ;
Гибкость .
Проверка прочности сечений.
Проверяем прочность наиболее нагруженного сечения (с максимальным изгибающим моментом) т.е. сечения на опоре, где M=143,63 кН м, N=280,65 кН.
