Реферат: Конструирование и расчёт деревянных конструкций одноэтажного промышленного здания

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

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 = t ₁ – D ₁ = -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

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.

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 поясовм.

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.

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

l ₀ = 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

,

т.е. прочность обеспечена с большим запасом прочности. Однако, оставляем ранее принятые размеры поперечного сечения, исходя из необходимости ограничения гибкости.

Расчет колонны на устойчивость плоской формы деформирования

(в плоскости рамы).

Предварительно принимаем, что распорки по колоннам (в плоскости, параллельной наружным стенам) идут только по верху колонн, т.е. использована крестовая схема вертикальных связей по колоннам без дополнительных распорок.

Тогда в формуле (33) [1] принимаем n = 2, т.к. по принятой схеме вертикальных связей по колоннам нет раскрепления растянутой зоны из плоскости деформирования. По той же причине принимаем расчетную длину колонны из плоскости рамы равной высоте колонны:

l_y = Н = 9 м

Найдем значения гибкости и коэффициенты продольного изгиба из плоскости рамы:

Для нахождения значения коэффициента j_м предварительно найдем коэффициент «к_ф » по табл. 2 прил 4 [1]:

к_ф = 1,75 – 0,75 * в = 1,75, т.к. в = 0 из-за того, что момент в верхней части колонны равен нулю.

Проверяем устойчивость:

, т.е.

устойчивость в плоскости рамы обеспечена.

Расчет колонны на устойчивость из плоскости рамы.

Расчет производят по формуле (8) [1]:

j_y – коэффициент, который уже должен быть определен в предыдущем расчете.

VI .Расчет узла защемления колонны в фундаменте.

Определим расчетные усилия:

М = 17.1кНм

Из расчета колонны на прочность в плоскости рамы уже известны j_к = 0,306, R_с = 16,74 МПа, А_бр = 0,225 м²

Найдем значения коэффициентов x, к_н и значение М_Д

Определим значения относительного эксцентриситета

, следовательно сечение колонны сжато не по всей площади.

Высота сжатой зоны сечения

Растягивающее усилие

1. Приняв ширину анкерной полосы равной ширине колонны определим требуемую толщину.

Конструктивно принимаем толщину d_а = 6 мм.

2. Усилие в наклонных тяжах

Требуемая площадь наклонных тяжей

Принимаем тяжи диаметром 12 мм, для которых А_Т.КТ = 0,744 см² .

3. Конструктивная длина уголка

0,005 м – зазор между колонной и тяжем.

Нагрузка на уголок

Изгибающий момент в уголке

Требуемый момент сопротивления

Принимаем равнополочный уголок ∟40х7 мм с I_х = 14,84 см⁴ и z₀ = 1,5 см. Момент сопротивления уголка:

т.е. прочность уголка обеспечена.

4. Назначим размеры уширения колонны внизу. Расчетное сопротивление древесины смятию под углом 45⁰ определим по формуле (2) [1]:

С учетом коэффициента условий работы m_н = 1,2 R_СМ = 7,45 Мпа

Площадь смятия древесины под углом

Напряжения смятия

Принимаем толщину уширения колонны равной двум толщинам досок после фрезерования в = 2 * 0,033 = 0,066 м, что достаточно для размещения уголка ∟40х7 мм под углом 45⁰ , т.к.:

С учетом принятых уширений получим высоту сечения колонны понизу:

Высоту накладок, учитывая конструктивное решение узла и расположение тяжей по углом 45⁰ , принимаем равной высоте сечения колонны плюс 150 мм.

5. Проверим прочность по скалыванию в плоскости приклейки досок-накладок, на которые опираются уголки.

Среднее по площадке скалывания расчетное сопротивление древесины скалыванию определим по формуле (54) [1]:

, где l _СК = l _накл = 0,975 м

b = 0,125, т.к. скалывание промежуточное

R_СК = R_СК * m_н = 2,1 * 1,2 = 2,52 Мпа

Напряжения скалывания

VII. Расчет опорного бруса

Предельная гибкость для элементов связей λ=200

Принимаем по конструктивным соображениям брус сечением 110х110мм. Для него расчетная длина равна расстояние между точками закрепления =400см,

Проверяем брус на смятие поперек волокон. Принимаем 1 сорт древесины.

т.к. уклон , а , то берем прочность древесины поперек волокон .

Принимаем брус 125х125,

Принимаем брус сечением 150х150мм.

Список используемой литературы.

1. Пшенов А.А. Компоновка конструктивной схемы здания проектирование плит покрытия. Мет. Указания. Сарат. гос. техн. унив. 1995.-25с.

2. Пшенов А.А. Конструирование и расчёт дощатоклеёных и клеефанерных балок. Мет. Указания. Сарат. гос. техн. унив. 1995.-25с.

3. Пшенов А.А. Конструирование расчёт дощатоклеёных колонн. Мет. Указания. Сарат. гос. техн. унив. 1995.-25с.

4. СНиП 2-25-80. Деревянные конструкции. Нормы проектирования/ Госстрой СССР.- М.: Стройиздат, 1983. – 31 с.

5. Индустриальные деревянные конструкции. Примеры проектирования/ Ю.В. Слицкоухов и др.- М.: Стройиздат, 1991. – 256 с.

6. Конструкции из дерева и пластмасс: Г.Г. Карлсен. – М.: Стройиздат, 1986. – 543 с.,ил.