Расчёт деревянной сегментной фермы
Казанская государственная
аритектурно-строительная
Курсовой проект
На тему “Расчёт деревянной сегментной фермы”
Выполнил: ст. гр. 03-505
2003
Содержание
- Исходные данные для проектирования.
- Расчёт клеефанерной плиты.
- Расчёт сегментной фермы.
- Расчет стойки.
1. Исходные данные для проектирования:
Здание длинной 48 м., 2 класс ответственности, коэффициент надёжности по назначению γn=0,9, не отапливаемое, с температурно-влажностным режимом эксплуатации по группе Б1, Район строительства - г.
Ленинград (снеговая нагрузка –100 кг/см2,ветровая нагрузка-35 кг с/см2). Несущими конструкциями являются металлодеревянный сегментный фермы с клееным верхним поясом пролётом 24м., расположенные с шагом 4,8 м. Покрытие из клеефанерных плит.
2.РАСЧЁТ КЛЕЕФАНЕРНОЙ ПЛИТЫ.
Исходные данные:
Номинальные размеры панели в плане 1,5х4,8 м. Обшивка из водостойкой фанера марки ФСФ сорта В/ВВ толщиной δ=10мм.; рёбра из сосновых досок 2-го сорта; клей КБ-3;утеплитель – минераловатные плиты толщиной100 мм. С объёмным весом 100 кг/м3; пароизоляция из полиэтиленовой плёнки; снеговая нагрузка –100 кг/см2; каркас панели состоит из 4-хпродольных рёбер a=50 см., высотой hр=15 см., толщиной bp=5см.;ширина панели по низу 147 см., по верху 149 см. Расчётный пролёт lр=l*0,99==480*0,99=475,2 см.
Принятая высота панели h=1+1+15=17 см., что составляет 17/475,2=1/28 пролёта; расчётные сопротивления:
Rф.с. =140 кг с/см2; Rф.с. =120 кг с/см2; Rф.с. =65 кг с/см2;
Rск.ф =8 кг с/см2; Rск. =16 кг с/см2; Rн. =130 кг с/см2;
Еф.=90000 кг с/см2; Ед.=100000 кг с/см2.
Наименование нагрузки |
Нормативная нагрузка кг/м2 |
Коэффициент надежности по нагрузке gf |
Расчетная нагрузка кг/м2 |
|
1.Вес рубероидной 3-х слойной кровли. 2.Фанера (0,01´2)640 3.Каркас из древесины (0,05´0,15)500´3 4.Утеплитель- минераловатные плиты (0,1´100) |
12,7 12,8
11,25
10 |
1,2 1,1
1,1
1,2 |
15 14,1
12,4
12 |
Постоянная g Временная снеговая Полная |
46,75 100 146,75 |
- 1,4 - |
53,5 140 193,5 |
Геометрические характеристики сечения.
Расчётная ширина фанерных обшивок принимается согласно П.4 25 гл. СНиП 2-25-80 на 10% меньше действительной и равна:
Врас=0,9ּ147=133,2 см.
Сечение клеефанерной панели приводит к сжатой фанерной обшивке:
nф= = =1,11`
Приведённая площадь сечения:
Fпр=2bфδф+nфbрhр=2ּ133,2ּ1+(1,
где hр, bр – высота и толщина ребер.
Приведённый момент инерции плиты:
Jпр=nфּF2ф. н+Fф.вy2ф.в+nрFрy2р+nрJр=
=133,2ּ72+1,1ּ4ּ5ּ15+(4ּ5ּ152)
где Fф.и=bфּδфн – расчётная площадь поперечного сечения нижней обшивки;
Fф.в= bфрּδфн– расчётная площадь поперечного сечения верхней обшивки;
Fр=4ּh0ּb0 – площадь поперечного сечения рёбер;
Jр=4bphp3/12 –момент инерции рёбер;
yф.в= yф.н –расстояние от нейтральной лини до центра нижней и верхней обшивки;
yр=0 –расстояние от нейтральной оси до центра тяжести ребра.
Проверка панели.
Расчётный изгибающий момент в середине пролёта:
кгсּм,
Напряжение в растянутой обшивке: σф.р.=
Проверим устойчивость сжатой обшивки (П.4.26.СНиП 2-25-80)
,
где φф при расстоянии между рёбрами в свету 45 см. и толщине фанеры δф=1 см., а/δф=45/1<50:
φ=1-
Проверка верхней обшивки на местный изгиб сосредоточенной силой 120 кгс как заделанную по концам балку шириной 100см:
A=50 см<1,33ּRфнּδ2ф=1,33 ּ 65 ּ1=86,45 см.
Проверяем скалывающие напряжения по клеевому шву фанерной обшивки.
Поперечная сила равна опорной реакции:
Приведенный статический момент верхней обшивки относительно нейтральной оси равен:
Sпр. =Fф.в.ּyф.н. =132,2ּ8=1065,6 см3
При расчётной ширине клеевого соединения bp=4ּ4=16 см. находим касательные напряжения:
Τ= < Rск.ф =8 кгс/см2
Относительный прогиб панели равен:
3. РАСЧЁТ СЕГМЕНТНОЙ ФЕРМЫ.
Сегментная ферма состоит из 4-х панелей. Расчётный пролёт фермы L=24 м. Класс ответственности здания 1; = 1. Температурно-влажностный режим А-1. Кровля утепленная из клеефанерных плит с двухсторонней обшивкой.
Нагрузки. Нагрузки на ферму от ограждающей части покрытия на 1 м2 поверхности крыши составляет: нормативная – 46,75 кгс/м2; расчетная – 53,5 кгс/м2. Эта нагрузка, приведенная к 1 м2 плана покрытия, равна:
нормативная - g ногр = 46,75ּs /l = 46,75ּ1,072 = 50,116 кгс/м2;
расчетная – g огр = 53,5ּ1,072 = 57,352 кгс/м2.
Нагрузка на 1 пог. м фермы от ограждающей части покрытия поверхности крыши составляет:
нормативная - g = 50,116 ּ4,8 = 240,6 кгс/м2;
расчетная – g огр = 57,352ּ4,8 = 275,3 кгс/м2.
Нагрузки на ферму приведены в таблице.
Наименование нагрузки |
Нормативная нагрузка кгс/м |
Коэффициент надежности по нагрузке gf |
Расчетная нагрузка кгс/м |
Вес покрытия. Собственный вес фермы |
240,6 38,3 |
- 1,1 |
275,3 42,2 |
Постоянная g |
46,75 |
- |
53,5 |
Снеговая равномерно распределенная s’ Снеговая, распределен-ная по треугольнику s” |
360
960 |
1,6
1.6 |
576
1536 |
Нагрузку от собственного веса фермы определяем по формуле:
gнсв = (gн+s’)/[1000/(Ксв×l)-1] = (240,6+360)/ [1000/(2,5×24)-1] = 38,3 кг/м.
Ксв=2,5 – коэффициент собственного веса фермы
Нормативная снеговая нагрузка определяется по формуле:
s' = sо×m×В = 100×0,75×4,8 = 360 кгс/м.
1= l/(8f) = 24/(8ּ4) = 0,75.
s" = sо×m×В = 100×2×4,8 = 960 кгс/м.
2= 2,0 при f/l =0,167.
Коэффициент надежности по нагрузке для снега при gн/Sн = 278,9/360 = 0,77 < 0,8 составляет 1,6.
Геометрический расчет.
Радиус кривизны верхнего пояса фермы
r = (l + 4f)/(8f) = (24 + 4×4)/(8×4) = 20 м.
Половина центрального угла дуги верхнего пояса
sin 0 = l/(2r)= 24/(2×20) = 0,6; 0 = 37 .
Длина дуги верхнего пояса
S = м.
Длина дуги одной панели
м. .
Длина хорды панели
м.
Стрела выгиба панели
м.
Определение усилий от равномерно распределенной нагрузки.
Равномерно распределенную снеговую нагрузку s' = 0,576 тс/м, расположенную на половине пролета, приводим к сосредоточенным силам Pi в узлах фермы:
т;
т;
т.
Опорные реакции
т;
т.
Проверка:
т;
т.
Определение усилий от треугольной односторонней снеговой нагрузки s" = 1,536 тс/м.
Треугольную нагрузку, расположенную на левой половине пролета, приводим к сосредоточенным силам Pi в узлах фермы:
т;
т;
т.
Опорные реакции
т;
т.
Проверка:
т;
т.
Произведем расчет фермы на снеговую нагрузку на програмном комплексе Lira 9,0 получим усилия в элементах фермы:
|
N стр. |
Обозн. усилий |
Усилия от пост нагр. g=0,276 т/м. k=0,484 |
Усилия от снеговой нагрузки |
Расчетное сочетание усилий | |||||
s' = 0,576 тс/м |
s" = 1,536 тс/м | ||||||||
слева |
справа |
на всем пролете |
слева |
справа |
3 + 6 |
3 + 7 | |||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
1-2
|
N тс Mq,s MN åM |
-5,51 1,123 -1,42 -0,295 |
-7,66 2,32 -1,97 0,35 |
-3,73 - -0,96 -0,96 |
-11,39 2,32 -2,93 -0,61 |
-8,48 4,72 -2,18 2,54 |
-3,1 - -0,8 -0,8 |
-16,9 - - 0,905 |
-13,99 - - 2,245 |
|
2-3
|
N тс Mq,s MN åM |
-5,01 1,392 -1,29 0,102 |
-6,16 2,876 -1,58 1,296 |
-4,18 - -1,07 -1,07 |
-10,35 2,876 -2,66 0,48 |
-6,19 2,07 -1,59 0,48 |
-3,48 - -0,89 -0,89 |
15,36 - - 0,318 |
11,2 - - 0,582 |
1-6 |
N тс |
4,88 |
6,79 |
3,3 |
10,09 |
7,51 |
2,75 |
14,97 |
12,39 |
6-7 |
N тс |
5,02 |
5,18 |
5,18 |
10,37 |
4,31 |
4,31 |
15,39 |
9,33 |
2-6 |
N тс |
0,1 |
-1,14 |
1,34 |
0,2 |
-2,28 |
1,11 |
0,3 |
-2,18 |
3-6 |
N тс |
-0,11 |
1,27 |
-1,49 |
-0,22 |
2,54 |
-1,24 |
-0,33 |
2,43 |
Подбор сечения элементов. Ширину сечения верхнего пояса и элементов решетки принимаем одинаковой. Подбираем ширину b из условия предельной гибкости λпр=150. Для самого длинного раскоса D2, у которого loy = lox = 5,66 м, rmin = loy/λпр = 5,66/150 = 0,038 м; bmin = 0,038/0,29 = 0,13 м. С учетом требований к опиранию панелей bmin = 14 см из доски шириной 15 см.
Подбор сечения верхнего пояса. Из табл. 9 видно, что расчетной является первая панель при снеговой нагрузке s”. Пользуясь приближенной формулой, определяем
Wтр=Mmax/(0,7ּRи)
Принимаем древесину 2-го сорта, доски сечением3,3х14 (после острожки) с расчетным сопротивлением
Rс = Rи =150 кгс/см2
Из табл. 9 выбираем сочетание усилий N = 13990 кг; M =224500 кгсּсм, тогда Wтр= 224500/(0,7ּ150)= 2138,1 см3.
Требуемая высота сечения
Количество слоев в клееном элементе при толщине досок 3,3 см n =30,3/3,3 = 9,18 слоев; принимаем 11 слоев. Тогда h = 3,3ּ11 = 36,3 см. Геометрические характеристики сечения
A = bh = 14ּ36,3 = 508,2 см2; W = 14ּ36,32/6 = 3074 cм3.
Гибкость λx = ls/rx = 6,41/(0,29ּ0,363) = 60,9 < 120; φ = 1 – а(λ/100)2 = 1 – 0,8(60,9ּ100)2 = 0,7.
Коэффициент ξ=1-
Тогда Mд=
σ = < Rрас=150 кгс/см2
Поверка устойчивости из плоскости верхнего пояса фермы не производим из за использования клеефанерных плит.
Подбор сечения раскосов. Раскос D1; N = -2,18 т. Из условия предельной гибкости:
h = lр/(0,29ּ150) = 377/(0,29ּ150) = 8,67 см.
Принимаем h = 3,3ּ4 = 13,2 см. Тогда А = 14ּ13,2 = 184,8 см2.
Напряжения в сжатом раскосе D1
σ = 2180/( 184,80) = 2180/(0,31ּ184,8) =
=38,05 кгс/см2 < 150 кгс/см2; λ = 377/(0,29ּ13,2) = 98,5 < 150; φ = 3000/98,52 =0,31.
Раскос D2; N = 2,43 т.
Растянутый раскос D2 прикреплен в узле болтами d = 12 мм. Площадь поперечного сечения за вычетом ослаблений
Aнт = 14(13,2 – 2ּ1,2) = 151,2 см2.
Расчетное сопротивление растяжению для древесины 2-го сорта Rр = 90 кгс/см2; m0 = 0,8; σ = N/Aнт = 2430/151,2 = 16,07 кгс/см2 < 90ּ0,8 = 72 кгс/см2.
Подбор сечения нижнего пояса. Нижний пояс принимаем из стальных уголков:
Rр = 2100 кгс/см2; N = 15,39 т;
Aтр = 15390/(0,85ּ2100) = 8,62 см2;
2 50x50x5; 2А = 2ּ4,8 = 9,6; r = 1,53;
λ = lн/r = 600/1,53 = 392,15 < 400.
Расчет узлов. Опорный узел.
1. Проверку торца пояса
на смятие производим при
2. Упорная плита рассчитывается
приближенно как балка
На расчетную часть упорной плиты приходится 1/3 продольного усилия верхнего пояса. Изгибающий момент от этого усилия
M = Nl/(3ּ8) = 16,9ּ0,14/24 =0,0956 тּм.
Требуемый для восприятия этого момента момент сопротивления Wтр с учетом пластичности
Wтр=M/(Rּ1,2) = 9560/2100ּ1,2 = 3,79 см3.
Геометрические характеристики сечения
А = 0,8ּ8,0 + 0,8ּ6,0 = 11,2 см2.
Статический момент относительно нижней кромки ребра
S =0,8ּ8,0ּ6,4 + 0,8ּ6,0ּ3,0 = 55,36 см3.
Расстояние от центра тяжести сечения до нижней кромки ребра
Z = S/A = 55,36/11,2 = 4,94 см.
Момент инерции сечения
Ix = 8,0ּ0,83/12 + 0,8ּ8,0(6,8 – 4,94 – 0,5ּ0,8)2 + 0,8ּ63/12 + 0,8ּ6(4,94 – 3,0)2 = = 33,24 см4.
Момент сопротивления
W = Ix/z = 33,24/4,94 = 6,73 см3 > 3,79 см3.
3. Расчет опорной плиты.
Реакция на левой опоре фермы от второго сочетания нагрузок
RА =11,01 т.
Напряжение сжатия под опорной плитой размером A = 32х14 см
σ = RА/A = 11010/500 = 24,6 кгс/см2.
Изгибающий момент внутренней части плиты (на ширине 1 см.)
M = σl2/8 = 24,6ּ14,52/8 =646,5 кгсּсм.
Требуемый момент сопротивления с учетом пластичности
Wтр=M/(Rּ1,2) = 646,5/2100ּ1,2 = 0,256 см3.
Необходимая толщина плиты при ширине 1 см
см.
Принимаем см.
4. Растягивающее усилие в первой панели нижнего пояса Nи1 = -2,18 т. Нижний пояс проектируется из 2 50x50x5. Уголки привариваются к стальным фасонкам. На обушок каждого уголка передается 70% усилия N’ = -2,18ּ0,7 =1,526 т, а на перо уголка 30%: N” = -2,18ּ0,3 =0,654 т.
Длины сварных швов на один уголок при высоте шва hш = 0,6 см:
У обушка l’ = N’/(2Rсрּ0,7hш) = 1526/(2ּ150ּ0,7ּ0,6) = 12,1 см;
У пера l” = 654/(2ּ150ּ0,7ּ0,6) = 5,19 см.
Принимаем l’ = 30 см; l” = 20см.
Узел верхнего пояса. Усилия в раскосах D2 = 2,43 т (растяжение); D3 = -1.35 т (сжатие).
Усилие в верхнем поясе N = -16,9 т. Между торцами соединяемых панелей предусмотрены стальные вкладыши сечением 14х22х5 см.
Напряжение смятия торцов панелей 2 и3 верхнего пояса от усилия N = -16,9 т:
σсм = N/Aсм = 16900/(14ּ22) = 54,87 кгс/см2 < Rсм=150 кгс/см2.
Изгибающий момент в пластине вкладыша шириной 1 см определяется по формуле
M = σсм lвк 2/12 = 54,87ּ4,02/12 =73,16 кгсּсм.
где lвк = 4,0 см – расстояние между ребрами вкладыша.
Требуемый момент сопротивления пластинки с учетом пластичности
Wтр= 73,16/2100ּ1,2 = 0,029 см3;
толщина пластины (при ширине 1 см)
см.
принимаем см.
Узловой болт, воспринимающий равнодействующую усилий в раскосах, рассчитывается на изгиб от момента
M = (D/2)( + /2) = (2780/2)ּ (0,8 + 0,4) = 1668 кгсּсм.
Равнодействующую усилий D определяем по рис. 1. Требуемый момент сопротивления с учетом коэффициента пластичности γ = 1,2 равен W = 1668/(2100ּ1,2) = 0, 66 см3. Принимаем болт d = 2 см. Тогда
W = 0,1d3 = 0,1ּ23 = 0,8 > 0,66 см3.
рис. 1
Количество болтов крепления стальных планок раскосов определим от действия растягивающего усилия D3-6 = 24,3 Кн.
Принимаются для крепления болты d=1,6 см, двух срезные nш=2. Несущая способность болта в одном срезе.
По изгибу: Тu= 2,5×d2=2,5×1,62=6,4 кН
По смятию древесины: Тс= 0,5×в×d=0,5×14×1,6=11,2 кН
Требуемое число болтов для крепления двух столиков:
nтр=N/(Т× nш)=24,3/6,4×2=1,89, принимается 2 болтa.
4.РАСЧЕТ КЛЕЕДЕРЕВЯННОЙ СТОЙКИ ПОСТОЯННОГО СЕЧЕНИЯ.
Стойка клеедеревянная постоянного по высоте сечения из древесины 2-го сорта, жестко закреплена к фундаменту. Стойка высотой l=9,6 м. На нее шарнирно опирается опорный узел сегментной клеедеревянной фермы с металлическим нижнем поясом. Из плоскости стойка закреплена вертикальными связями в концах и середине длины. На стойку действуют следующие нагрузки: вертикальная сосредоточенная нагрузка от собственного веса конструкции и веса снега на покрытии; горизонтальные равномерные нагрузки от давления ветра.
Ветровая нагрузка.
Нормативное значение ветрового давления равно w0=35 кгс/м2.
Для заданного типа местности С с учетом коэффициента к получим следующее значение ветрового давления по высоте здания:
На высоте до 5 м wn1= 0,5*0,8*35=14 кгс/м2.
На высоте до 10 м wn2= 0,65*0,8*35=18,2 кгс/м2.
На высоте до 20 м wn3= 0,85*0,8*35=23,8 кгс/м2.
Вычислим значения
нормативного давления на
На отм. 9,6
wn4= 14+((18,2-14)/(10-5))(9,6-10)= 17,864 кгс/м2.
На отм. 13,6
wn5= 18,2+((23,8-18,2)/(20-10))(13,
Переменный по
высоте скоростной напор ветра
заменяем равномерно
wn=
15,56 кгс/м2.
Для определения давления с учетом габаритов здания находим по прил. 4(7) аэродинамические коэффициенты се=0,8 и се3=-0,5. Тогда с учетом коэффициента надежности по нагрузке gf=1,4 и шага колонн 6 м получим:
Расчетная равномерно
распределенная нагрузка на
Статический расчет.
В результате расчета рамы на ветровую нагрузку мы получили значения внутренних усилий M = wl2/8 = 1,205 тсּм, Q = (5/8) wl = 0,63 тс.
Снеговая нагрузка.
При расчете рамы на снеговую нагрузку наиболее не благоприятным загружением для стойки будет треугольная снеговая нагрузка и значение сжимающего усилия в стойке будет равно N = 11,016 тс.
Расчетное сочетание усилий для стойки будет равно M = 1,08 тсּм, Q = -0,57 тс, N = 10,25 тс.
Подбор сечения стойки.
Принимается гибкость стойки в направлении действия ветровых нагрузок l=80<120 стойка с жестким креплением к опоре и шарнирно закрепленным верхним концом имеет расчетную длину lр=0,8×l=0,8× 9,6=7,68 м.
Требуемая высота опорного сечения:
hтр=lр/(0,29×l)=7,68/(0,29×80)
Принимаем древесину 2-го сорта, доски сечением3,3х14 (после острожки) с расчетным сопротивлением сжатию с учетом ширины сечения в>13 см, действия ветра mн=1,2 высоты сечения md=0,9 и толщина слоев mсл=1: R=15×1,2×0,9×0,1=16 мПа.
Геометрические характеристики сечения
A = bh = 14ּ36,3 = 508,2 см2; W = 14ּ36,32/6 = 3075 cм3.
Гибкость λx = lр /rx = 768/(0,29ּ36,3) = 72,96 > 70; φ = 3000/λ2 = 3000/72,962 = 0,564.
Коэффициент ξ=1-
Тогда Mд=
σ = < Rрас=160 кгс/см2
Поверка устойчивости стойки из плоскости действия момента проводим от действия сжимающего усилия N = 11, 016 тс. Стойка имеет расчетную длину из плоскости действия момента lр=3,84 м.
Гибкость λу = lр /rу = 384/(0,29ּ14) = 94,6 > 70; φ = 3000/λ2 = 3000/94,62 = 0,335.
< Rрас=160 кгс/см2
Проверка опорного сечения стойки на скалывание не требуется в виду небольшой величины поперечной силы.
Расчет жесткого крепления стойки к фундаменту с помощью анкерных столиков.
Расчетное сочетание усилий для расчета жесткого крепления стойки будет равно M = 1,205 тсּм, Q = -0,63 тс, N = 3,35 тс.
Расстояние между осями
Принимаются для крепления столиков к стойке болты d=2 см, двух срезные nш=2, симметрично работающее при с=в=14 см. Несущая способность болта в одном срезе при учете ветровой нагрузки mн=1,2.
По изгибу: Тu=mн×2,5×d2=1,2×2,5×22=12 кН
По смятию древесины: Тс=mн×0,5×в×d=1,2×0,5×14×2=16,
Требуемое число болтов для крепления двух столиков:
nтр=N/(Т× nш)=43,5/12×2=1,81, принимается 2 болтa.
Требуемое сечение анкерных тяжей по нарезке:
Атр=N/(R×0,8)=0,0435/(235×0,8)
Æ 16 мм, площадь сечения по нарезке А=2×1,41=2,81 см2>Атр
Список литературы.
Деревянные конструкции. Нормы проектирования СНиП 11-25-80 М.,1983 г.
Зуборев Г.Н. Конструкции из дерева и пластмасс М.,1990 г.
Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования: СНиП 2.01.07-85/ Госстрой СССР М,:ЦИТП Госстроя СССР, 1986 г.
Расчет конструкций из дерева и пластмасс. Курсовое и дипломное проектировании. Учебное издание. Издательство «ВШ» 1998 г.
Конструкции из дерева и пластмасс. Примеры расчета и конструирование: под редакцией В.А. Иванова Киев «ВШ»1981 г.