Проект производственного здания

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Металлических и деревянных конструкций

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту (работе) по Конструкциям из дерева и пластмасс

на тему: Проект производственного здания



Содержание

Исходные данные

1. Введение

2. Компоновка конструктивных элементов

3. Ограждающие конструкции

3.1 Настилы

3.2 Прогоны

4. Несущие конструкции

4.1 Геометрический расчет фермы

4.2 Статический расчет

4.3 Определение усилий в элементах фермы и подбор сечений

4.4 Расчет и конструирование узловых соединений

5. Расчет дощатоклееной колонны

5.1 Определение нагрузок на стойку

5.2 Определение усилий в стойке

6. Защита древесины от гниения и возгорания

Библиографический список



Исходные данные

строительство конструктивный здание древесина

Пролет здания 15 м

Шаг колонн 6.0 м

Высота колонн 7.5 м

Длина здания 36 м

Тепловой режим холодный

Материал конструкции сосна

Район строительства Челябинск

Снеговой район 3-й расчетная нагрузка 1.8 кН/м²

Ветровой район 3-й нормативная нагрузка 0.38 кН/м²

Тип кровли сталь кровельная по дощатому настилу

Тип несущей конструкции арка

Тип здания В



1. Введение

Современные темпы развития промышленного и гражданского строительства требуют широкого применения различных конструкционных материалов. Одним из путей улучшения структуры применяемых материалов, а также снижения металлоемкости строительства является внедрение конструкций из дерева и пластмасс. Деревянные конструкции, особенно заводского изготовления, в основном отвечают требованиям надежности и долговечности в условиях агрессивных химических воздействий и повышенной сейсмичности.

Наиболее рациональными областями применения деревянных конструкций являются здания, в атмосфере которых присутствуют слабоагрессивные газы, пыль или аэрозоли. В промышленности это предприятия по производству минеральных удобрений, электролитные цехи цветной металлургии, здания нефтяного и целлюлозно-бумажного производства. В сельском хозяйстве -- это животноводческие помещения (коровники, свинарники, птичники), а также склады минеральных удобрений. Деревянные конструкции эффективны в условиях рассредоточенного строительства, так как для их перевозки и монтажа не требуются механизмы и машины повышенной грузоподъемности. В зданиях общественного значения спорт- и кинозалы, выставочные павильоны, крытые рынки при больших пролетах эффективно применение клееной древесины, где малый собственный вес конструкций играет важную роль. Интерьер таких зданий получается более выразительным.



2. Компоновка конструктивных элементов

Разработка курсового проекта начинается с компоновочных работ, включающих в себя:

-- план здания с разбивкой сетки колонн (схематический продольный и поперечный разрезы здания с указанием основных размеров);

-- определение размеров ригеля;

-- схемы связей;

-- схему торцевого фахверка.

Для бескрановых зданий разбивочные оси колонн совмещают с их геометрическими осями. Ширина плит покрытия должна быть согласована с учетом свеса кровли не менее чем на 50 см.

Каркас здания представляет собой сложную пространственную конструкцию. Ее обычно расчленяют на следующие элементы:

а) основные несущие конструкции:

-- арки с затяжками или, опирающиеся шарнирно на защемленные в фундамент стойки;

-- рамы или арки, с непосредственным опиранием на фундамент;

б) ограждающие конструкции покрытия (панели или щиты из досок по прогонам);

в) стеновое ограждение (панельное или щитовое);

г) стойки торцевого фахверка;

д) горизонтальные и вертикальные связи.

Каркас здания должен обеспечивать передачу действующих горизонтальных и вертикальных нагрузок на фундаменты по кратчайшему пути. Здание, выполненное только из одних плоских несущих конструкций, является геометрически изменяемым.

Для обеспечения пространственной жесткости здания конструкции соединяются при помощи горизонтальных и вертикальных связей. Кроме того связи служат для обеспечения устойчивости сжатых элементов конструкции, а также для восприятия и передачи горизонтальных нагрузок, например, от ветра на торцы здания обеспечивают устойчивость конструкций во время монтажа. Схема расстановки связей представлена на в чертежах.

Вертикальные связи плоскости стоек устанавливают по торцам здания и через 20…30 м по длине. В случае применения решетчатых колонн связи ставят в плоскости обеих ветвей. Оголовки колонн соединяются между собой обвязкой. Эти связи предотвращают возможное смещение оголовка колонн. Вертикальные связи в покрытии размещают между каждой парой ферм в плоскости средних и опорных стоек или раскосов, а при пролетах более 24 м -- и в четвертях пролета. Эти связи предотвращают возможное смещение ригеля от вертикали. Вертикальные связи устанавливаются попарно в арках и рамах, если при проверке плоской формы деформирования не обеспечивается необходимая устойчивость сжатой кромки элемента.

Горизонтальные связи покрытия ставятся в плоскости верхних сжатых поясов ферм, арок, рам и балок у торцов здания и через 20…30 м по длине. Они обеспечивают устойчивость сжатого пояса конструкции. При шаге несущей конструкции 3…4 м связи имеют вид раскосных ферм, при шаге 2 м и менее -- полураскосную решетку, а при шаге более 4 м -- применяется крестовая решетка. Раскосные и полураскосные связи выполняются из брусьев, крестовые -- из металлических тяжей. Если в покрытии применены дощатые или фанерные щиты с раскосами или клеефанерные панели, жестко крепленые с верхним поясом ригеля, то установка связей не обязательна.

Торцевой фахверк является несущим элементом торцевой стены здания. Он воспринимает вертикальную нагрузку от собственной массы ограждающей конструкций торцевой стены, горизонтальную ветровую нагрузку, а иногда еще и нагрузку от части покрытия, включая массу снега. Торцевой фахверк выполняется из системы стоек, ригелей (распорок) и крестовых или раскосных связей. При высоте 6…6,5 м стойки фахверка могут быть выполнены из брусьев, при большей высоте их делают клеедеревянными или решетчатыми.

Крепление элементов связей осуществляется при помощи болтов или гвоздей.



3. Ограждающие конструкции

Ограждающие конструкции предназначены для отделения внутренних помещений здания от внешней среды, в зависимости от назначения здания. Ограждения выполняются утепленными, построечного изготовления. При построечном изготовлении покрытия устраивают из отдельных элементов: прогонов, настила.

Изгибаемые элементы покрытий рассчитываются по прочности и прогибу. Деревянные настилы служат для поддержания кровли и утеплителя. Основным фактором, определяющим выбор кровельного материала, является уклон кровли. Также учитывается влияние агрессивной среды, если она может воздействовать на материал кровли. Выбор состава кровли производится по СНиП П-26-76 «Нормы проектирования. Кровли».

3.1 Настилы

Деревянные настилы целесообразно изготавливать щитовыми. Настилы бывают сплошными и разряженными. Существует два типа сплошных настилов: двойной перекрестный и однослойный настил.

Двойной перекрестный настил состоит из двух слоев досок. Верхний -- защитный (сплошной) слой досок толщиной 16…22 мм и шириной не более 100 мм укладывают под углом 45…60 к нижнему рабочему настилу и крепят к нему гвоздями. Рабочий настил делают разряженным. Расстояние между досками для лучшего проветривания должно быть не менее 20 мм. Доски рабочего настила принимаются 19…32 мм согласно расчету. Опирание рабочих досок для повышения жесткости должно быть не менее чем на три опоры.

Длина щитов принимается из условия опирания на прогоны, не более 3…4 м, ширина -- из условия простоты перевозки и монтажа в пределах 1,5…2 м.

Расчет настилов

Деревянные настилы и обрешетки рассчитывают на поперечный изгиб по схеме двухпролетной балки на два сочетания нагрузок:

а) на действие равномерно распределенной нагрузки от собственного веса и снега проверяют на прочность и прогиб;

б) на действие равномерно распределенной нагрузки от собственного веса покрытия и сосредоточенного груза в одном пролете Р = 1,2 кН проверяют только на прочность. Каркас щитов выполняют из досок или брусков. Обшивка кровельных щитов из тонких досок верхний слой сплошной нижний из поперечных и диагональных элементов. Щит имеет в плане размеры 2 на 4.5 м и габариты пригодны для транспортировки. Бруски крайних стоек решетки щита при его укладке прибиваем к верхнему поясу несущей конструкции гвоздями обеспечив устойчивость сжатых поясов.

Проектируем обрешетку из бруска 50х100 мм а настил щита из доски толщиной 50 мм.

Сбор нагрузок

На данном этапе необходимо определиться с выбором кровельного материала, с общим составом и конструктивным решением ограждающего покрытия.

Расчетное значение снеговой нагрузке q_сн устанавливается по СНИП 2.01.07-85* [3].

Сбор нагрузок на 1м² проекции покрытия (для холодной кровли)

Вид нагрузок	Нормативное значение кН/м2	Коэффициэнт надежности по нагрузке	Расчетное значение кН/м2
1. Кровельное покрытие Руберойд б=ц/4=74/4=18,5° 0,0006*7850/(100*cos18.5°) 3 слоя	0.36	1.05	0.378
2. Настил дн г/(100 cosб), где дн - толщина досок настила, м; г - плотность древесины, кг/м3 0,04*500/(100*cos18.5°)	0.21	1.1	0.231
3.решетка щитов (примерно 50%) отвеса настила с=500 кг/м3; 0,125*0,175*500/(100*1*cos18.5°)	0.12	1.1	0.132
4.Снеговая нагрузка	qнсн =0.7· 0.75qсн= =0,7*0,75*2,4=1,26		qасн =0.75qсн= =0,75*2,4=1,8
для арок кругового очертания при f/L=1/6 Итого:	qн =1,95		q=2,54

3.2 Конструирование и расчет консольно балочных прогонов из досок

В конструкциях перекрытий производственных зданий большой длины при шаге несущих конструкций до 4,5 м рекомендуется применять многопролетные неразрезные прогоныПрименяем прогон консольно-балочный при шаге расстоновки ферм от 3.6 до 4.7 м. Консольно-балочные прогоны из брусьев являются многопролетными статически определимыми системами

Статическая определимость достигается введением шарниров в количестве, равном числу промежуточных опор. Проектируются прогоны, как правило, по равномоментой расчетной схеме. Консольно-балочные прогоны рассчитываются только на нормальные составляющие нагрузок. Скатная составляющая может вызвать сдвиги в стыках и должна быть воспринята на-стилом. Перед началом расчета прогонов необходимо выполнить геометрический расчет арок, для определения снеговой нагрузки с учетом угла наклона оси полуарки

По верхним граням несущих конструкций в места установки прогонов набиваются короткие бобышки, препятствующие сползанию прогонов по скату.

Вид нагрузок	Нормативное значение кН/м2	Коэффициэнт надежности по нагрузке	Расчетное значение кН/м2
1. Кровельное покрытие Руберойд б=ц/4=74/4=18,5° 0,0006*7850/(100*cos18.5°)	0.12	1.05	0.126
2. Настил дн г/(100 cosб), где дн - толщина досок настила, м; г - плотность древесины, кг/м3 0,04*500/(100*cos18.5°)	0.21	1.1	0.231
3.Собственный вес прогонов с=500 кг/м3; 0,125*0,175*500/(100*1*cos18.5°)	0.12	1,1	0.132
4.Ветровая нагрузка	qнп =0,38	1.1	qп =0,42
5.Снеговая нагрузка	qнсн =0.7· 0.75qсн= =0,7*0,75*2,4==1,26		qасн =0.75qсн= =0,75*2,4=1,8
для арок кругового очертания при f/L=1/6 Итого:	qн =1,64		q=2,22

Шаг прогонов по скату принимается: а = 2.0 м.

С учетом принятого шага прогонов устанавливается значение линейной расчетной нормативной нагрузки.

Линейная нагрузка:

нормативное значение =1,64*2=3.28 кН/м;

расчетное значение =2,22*2=4.44 кН/м,

где - шаг прогонов (м).

Расчетная схема прогона:

Расчетный изгибающий момент =4.44*4.5І /8 = 11,23 кНм.

где = 4.5 м - пролет прогонов (м) равен шагу несущих конструкций.

Прогоны работают на косой изгиб поэтому напряжения и деформации необходимо определять с учетом их работы в двух плоскостях

Рис 2 Работа прогона на косой изгиб

Нормальная составляющая момента=cosб = 9,99* соs 18.5°=9.47 кНм;

Скатная составляющая момента=sinб. = 9,99* sin18.5°=3.17 кНм;

Предварительно сечением прогонов следует задаться.

Например, bЧh можно принять в зависимости от пролета и шага прогонов: 150Ч200 мм. Моменты сопротивления сечения прогона относительно главных осей:

== 1000 см³

== 750 см³

Проверка несущей способности прогонов по нормальным напряжениям осуществляется по формуле

у = R_и, у = =1.369 R_и =1,5 кН/см2

(для I сорта), где R_и-расчетное сопротивление изгибу, кН/см²

, - изгибающие моменты, кНсм.

Необходимо оценить запас по прочности

(R_и - у)100/R_и = (1,5-1,37)*100/1,5=8.66 % < 25%;

Запас по прочности, как правило, не должен превышать 20-25 %.

При расчете по деформациям соответственно необходимо найти прогибы прогона в плоскости нормальной и параллельной скату. Расчет нормативных линейных составляющих нагрузок:

нормальных к скату =cosб =1,64* cos 18,5°=1.64*0.948=1.55 кН/м;

параллельных скату =sin б. =1,64* sin 18,5°=1.64*0.317=0,52 кН/м;

Прогиб от нормальной составляющей

см,

Прогиб от скатной составляющей

см;

где , - значение нормативных нагрузок, кН/см;

=600 см - пролет прогона, т. е шаг несущих конструкций, см;

=1000 кН/см² - модуль упругости древесины;

= == 10 000 см⁴

= == 5 625 см³



4. Несущие конструкции

В клеефанерных арках поперечное сечение может быть коробчатым или двутавровым. При конструировании таких арок руководствуются правилами проектирования подобных балочных конструкций. Распор в арках может восприниматься затяжкой, фундаментами или контрфорсами. Затяжки в большинстве случаев изготавливаются из прокатных стальных равнополочных угол-ков, при малых пролетах - из круглой стали. Для предотвращения провисания затяжек от собственного веса по пролету устанавливаются подвески. Расчет арки начинается с определения ее геометрических параметров: стрелы подъема, угла наклона оси арки, длины осиполуарки, необходимых в дальнейшем для статического и конструктивного расчета.

4.1 Геометрический расчет арки

Геометрический расчет арок

Арка кругового очертания

Строительную высоту арок рекомендуется принимать 1/7 или 1/6 от пролета (рис.4.2).

Рис. 3 К геометрическому расчету круговой арки

Радиус кривизны для круговых арок определяется по формуле . Центральный угол ц (в градусах) определяется через тригонометрическую функцию sin ц/2 = L/2R. Длина дуги арки S = рRц/180.

f=1/6*15=2,5 (м) - строительная высота.

м;

Sin ц/2 = L/2R=15/2*12.5=0,6;

ц=2*arcsin(L/2R)= 74°

S=¶*R* ц/180=3.14*12.5*74/180=16.14 м. - длина дуги арки.

4.2 Статический расчет арки

Статический расчет арки любого очертания сводится к определению значений расчетных усилий от действующих постоянных и временных нагрузок. При этом можно воспользоваться данными сбора нагрузок на прогоны. Нагрузки, действующие на арку, необходимо скорректировать с учетом ее собственного веса.

Расчетная нагрузка от собственного веса арки рассчитывается ориентировочно по эмпирической формуле:

q _св=(q _н /(1000 /k_св*L)+1) *1.1=(1.64 / (1000/3.5 *15)+1)*1.1=0.09 кН/м²

где _св = 3,5 -принимается от 3.0 до 3.5 (для пролетов 9-30 м)

=15 м - пролет арки, м;

=1,64 кН/м2- полное значение нормативной нагрузки принимается по таблице 1.

Определение опорных реакций и расчетных внутренних усилий в арках кругового очертания.

В арках кругового очертания согласно СНиП «Нагрузки и воздействия» необходимо рассматривать два варианта загружения снеговой нагрузкой: равномерно распределенной и по треугольнику (рис 5.1). В связи с этим внутренние усилия следует вычислять отдельно от постоянной и снеговой нагрузки.

Расчетное значение постоянной линейной нагрузки с учетом собственного веса арки q_св

q^р_п = ₍q_{п +} q_св)а =(0,42+0,09)*6.0=3.06 кН/м2,

где а =6.0 - шаг арок, м;

q_п =0,42 кН/м2- принимается из таблицы 1.

Значение расчетной линейной равномерно распределенной снеговой нагрузки

q^р_сн = q^а_сн а=1.8*6.0=10.8 кН/м2.

где q^а_сн =1,8- расчетное значение снеговой нагрузки (кН/м²) устанавливается с учетом района строительства (таблица 1). Значения м₁ и м₂ приняты по СНиП «Нагрузки и воздействия» [3];

а =6.0 - шаг арок, м.

4.3 Определение усилий в элементах фермы и подбор сечений

Для определения расчетных усилий в арках кругового очертания необходимо заполнить таблицу 2.

Рис. 4 Расчетная схема круговой арки

Значения М, N, Q, H _a и R_а для каждой схемы загружения определяются путем умножения данных столбцов 2, 3, 4 и 5 на множитель в столбце 6 при f/L =1/6.

Для определения расчетных значений изгибающего момента от действующих нагрузок необходимо рассмотреть их наиболее невыгодные сочетания: 1) постоянная + снеговая равномерно распределенная на участке 0.5 пролета слева; 2) постоянная + снеговая равномерно распределенная на участке 0.5 пролета справа;3) постоянная + снеговая по всему пролету; 4) постоянная + снеговая по треугольной схеме на половине пролета слева; 5) постоянная + снеговая по треугольнику на всем пролете. За расчетное значение изгибающего момента принимается максимальное по модулю значение.

Расчетное значение продольной силы определяется для того же сочетания нагрузок, при котором получено максимальное значение момента. Для H _a и R_а рассматриваются сочетания, дающие максимальное значение опорных реакций.

Данные для определения расчетных усилий в арках кругового очертания.

Таблица 2

Схема загружения	Внутренние усилия и опорные реакции при f/l =1/6
1	2	3	4	5	6
	М кНм	N кН	Hа кН	Rа кН	Множитель
Постоянная равномерная	-0.0027 L2 -0,0027*15І*2,30 = -1,40	0.79 L 0,79*15*2,30 =27,26	0.75 L 0,75*15*2,30 =25,88	0.5 L 0,5*15*2,30 =17,25	qрп=2,30
Снег слева	0.0143 L2 0,0143*15І*10.8 = 34.74	0.393 L 0,393*15*10.8 =63.3	0.375 L 0,375*15*10.8 =60.75	0.375 L 0,375*15*10.8 =60.75	q рсн=10.8
Снег справа	-0.0168 L2 -0,0168*15І*10.8 = -40.82	0.393 L 0,393*15*10.8 = 63.66	0.375 L 0,375*15*10.8 = 60.75	0.125 L 0,125*15*10.8 = 20.25	q рсн=10.8
Снеговая по треуг-ку на ?	0.0073 L2 0,0073*15І*21.6 = 35.47	0.193 L 0,193*15*21.6 =62.53	0.1875 L 0,1875*15*21.6 =60.75	0.23 L 0,23*15*21.6 =74.52	2а q сн= 2*6.0*1.8=21.6
Снеговая по треугольнику слева	0.01 L2 0,01*15І*21.6 = 48.6	0. 126L 0,126*15*21.6 =40.82	0.125 L 0,125*15*21.6 =40.5	0.208 L 0,208*15*21.6 =67.39	2а q сн= 2*6.0*1.8=21.6
Расчетные значения	48.6	63.66	60.75	74.52

Подбор поперечного сечения арок

Арки треугольного и кругового очертания рассчитываются, как сжато изгибаемые элементы. Проверка прочности осуществляется по формуле .

Прежде чем приступить непосредственно к проверке прочности следует задаться размерами поперечного сечения и выполнить предварительные расчеты. На первом этапе расчета задаются шириной поперечного сечения с учетом острожки пиломатериала по кромкам. Обычно используется пиломатериал хвойных пород в соответствии с требованиями ГОСТ 8486-86*. Ширину поперечного сечения b можно принять 110 мм, 135 мм, 160 мм или 185мм. Толщина пиломатериала с учетом острожки может быть принята 26, 33 или 35 мм.

Принимаем: b = 110 мм; толщина 26мм.

Расстояние между точками раскрепления арок из плоскости для принятой ширины сечения должно быть не более

?_с = л _пр 0,289b=120*0,289*11=381,5 см,

где л_пр - предельная гибкость равна120.

Предварительная высота поперечного сечения арок может определяться из условия изгиба, поскольку размеры сечения сжато-изгибаемых элементов в большей степени зависят от величины изгибающего момента.

h _тр = = 45.86 см

где 0.8 коэффициент, учитывающий влияние продольной силы

R_и =1,5 - расчетное сопротивление изгибу (кН/см² устанавливается по таблицам с учетом ширины поперечного сечения арки, толщины досок породы древесины, условий эксплуатации и класса ответственности здания.

Фактическую высоту поперечного сечения арки необходимо скорректировать с учетом принятой толщины пиломатериала. Высота поперечного сечения должна быть кратной толщине доски.

Принимаем: h = 46 см.

Момент сопротивления предварительно принятого поперечного сечения арки, см³

W = bh² /6 = 11*46² /6 =3879.33 см^3;

Гибкость арки в плоскости действия момента= ?₀/(0.289h)= 936,12/(0,289*46)=70.43 ? 120

При определении гибкости расчетная длина ?₀ устанавливается с учетом типа арки и схемы загружения, которой соответствуют расчетные усилия, согласно СНиП -25-80 «Деревянные конструкции» [1]. Для арок кругового очертания расчетная длина принимается

?₀=0.58S=0,58*16,14*10І=936,12 см.

где S - полная длина дуги арки.

Если условие по гибкости не выполняется высоту поперечного сечения необходимо увеличить, добавив несколько досок.

Коэффициент, учитывающий дополнительный изгибающий момент от продольной силы при деформации полуарки, определяется по формуле

01.0

где N=63.66 - расчетное значение продольной силы, кН;

F=11*46=506 - площадь поперечного сечения арки,см²,

R_c=1,5 - расчетное сопротивление древесины сжатию в кН/ см² устанавливается по таблицам СНиП с учетом ширины и толщины пиломатериала, породы древесины, условий эксплуатации и класса ответственности здания. При определении расчетного сопротивления R_c необходимо дополнительно ввести коэффициент m_б =0,875, если высота поперечного сечения больше 50см.

о =1- =1- = 0.138 1,0

В арках кругового очертания нет необходимости в создании эксцентриситета, поэтому за расчетный изгибающий момент принимается значение изгибающего момента М, полученное при статическом расчете арки (таблица 2).

Проверка прочности принятого сечения арок любого очертания выполняется по формуле:

,

где М_з= = =352.17 кНсм;

=63.66 - расчетное значение продольной силы, кН;

F, W -площадь и момент сопротивления поперечного сечения арки, см² и см³ соответственно;

- расчетное сопротивление древесины сжатию (определялось ранее при расчете коэффициента о), кН/см².

N/F +M_з/W<=63.66/506+352.17/3879.33=0.134 < 1.5 кН/см²

Затяжка рассчитывается как центрально растянутый элемент на действие распора . Требуемая площадь поперечного сечения затяжки.

A_тр= H_a*г_n / R_y *г_c =60.75*1 / 24*1.05 =2.41 см².

где - расчетное сопротивление стали. Для стали С245 ГОСТ 27772-88 принимается равным 24 кН/см² [2];

г_с - коэффициент условий работы может быть принят 1.05;

г_n - коэффициент, учитывающий класс ответственности здания, принимаем 1.

Затяжка, как правило, конструируется из двух спаренных уголков. Минимальные (конструктивные) прокатные профили L50Ч5 или L63Ч4 (ГОСТ 8509-93).

Принимаем: профили L50Ч5 (ГОСТ 8509-93).

Затяжка также может выполняться из круглой стали.

В случае необходимости рассчитывается стык затяжки. По длине элементы затяжки соединяются планками для обеспечения совместности их работы. Соединительные планки ставятся через 80 радиусов инерции одного уголка. Для того, чтобы исключить провисание затяжки от собственного веса необходимо установить подвески из круглой стали диаметром 12-16 мм через 400 радиусов инерции одного уголка.

4.4 Расчет и конструирование узловых соединений

Конструктивно опорные узлы треугольных арок и арок кругового очертания решаются в целом одинаково. Отличие заключается в том, что в арках треугольного очертания узлы решаются с эксцентриситетом, а в арках кругового очертания - центрально.

Для расчета и конструирования опорного узла арок необходимо установить значение расчетной продольной силы в опорном сечении.

Для арок кругового очертания продольная сила в опорном сечении определяется с учетом данных таблицы 2 по формуле:

N= R_a sinб. + H_a cos б= 74,52*sin37°. + 60,75* cos 37°=93,35 кН,

где угол б = 37° равен половине центрального угла = 74°.

Опорный узел клееных арок с затяжками выполняется при помощи стального сварного башмака. Башмак состоит из опорной плиты, фасонок и упорной диафрагмы.

Опорная плита башмака располагается горизонтально. Вертикальные фасонки привариваются к опорной плите.

Между фасонками вваривается упорная диафрагма прямоугольного или ребристого сечения Упорная диафрагма может располагаться наклонно, перпендикулярно оси арки или вертикально. В первом случае поперечная сила воспринимается нагелями, соединяющими фасонки с аркой, во втором случае поперечная сила воспринимается лобовым упором арки в опорную плиту или обвязочный брус.

Упорная диафрагма чаще всего решается в виде плиты, усиленной ребрам жесткости, что позволяет уменьшить расчетный пролет плиты при расчете ее на изгиб. Ребра жесткости выполняются из листового металла.

Толщина фасонок назначается в зависимости от величины действующей в опорном узле продольной силы.

При N до 150 кН ……………….6 мм;

N = (160-250) кН…………..8 мм;

N = (260-400) кН ……… 10 мм

Принимаем: =6 мм;

д_р =6 мм;

n_р =3;

?_р =50 мм;

Толщину ребер д_р можно принять равной толщине фасонок, а длину ребер ?_р принять в пределах от 50 до 120 мм.

Количество ребер n_р принимается, как правило, не более трех. Расстояние между ребрами «а» должно быть не менее 50 мм из условия выполнения сварочных работ и не более ширины b поперечного сечения арки Упорная плита может решаться с консолями. Длина консольных свесов a_к принимается в пределах 0.3-0.7 ширины b поперечного сечения арки.

Рис. 5 Конструкция опорного узла арки кругового очертания

В арках кругового очертания высота упорной плиты h_уп рассчитывается из условия работы торца арки на смятие вдоль волокон силой N (рис. 6.4):

h_уп=N/b*R_см^п =93.35 / 11*1.3= 6.52 см

где R_см = 1,3 - расчетное сопротивление древесины смятию вдоль волокон, принимается по Приложению с учетом породы древесины, условий эксплуатации и класса ответственности здания, кН/см²;

N =93,35 - продольное усилие в опорном сечении, кН;

b=11 - ширина поперечного сечения арки, см.

Высота упорной плиты h_уп в арках кругового очертания должна быть не менее 0.4 высоты поперечного сечения арки.

Принимаем: h_уп = 19 см.

Расчет упорной плиты на местный изгиб. Упорная плита диафрагмы между ребрами жесткости рассчитывается на местный изгиб, как пластина, жестко защемленная по контуру, с размерами аЧb Изгибающий момент в полосе шириной в 1см в направлении короткой стороны определяется по формуле:

М=б*q*a²=0.094*0.446*8²=2.01 кН

где q = N/h_упb = 93.35/19*11=0, 446 кН/см²;

Н=93.35 - продольное усилие в опорном сечении арки, кН;

- коэффициент, зависящий от соотношения сторон пластины (таблица 4).

Данные для расчета изгибающего момента в плите защемленной по всем сторонам



Таблица 4

b/a	1.0	1.1	1.2	1.3	1.4	1.5	1.6	1.7	1.8	1.9	2.0
б	0.048	0.055	0.063	0.069	0.075	0.081	0.086	0.091	0.094	0.098	0.125

Плита защемленная по всем сторонам:

а = (h_уп - 2*1-3* д_р)/2 =(19-2-3*0,6)/2=7.6 см. принимаем: а=8 см.

b/a = 11/6=1,8; б =0,094

Требуемая толщина упорной плиты вычисляется по формуле

д_уп= ==0.69 см

где R_y =24 - расчетное сопротивление стали кН/см²;

=1 - коэффициент, учитывающий класс ответственности здания;

=1,05- коэффициент условия работы.

Толщина упорной плиты должна быть кратной 1 мм.

Принимаем: =7 мм.

Расчет упорной диафрагмы на общий изгиб

Конструкция ребристой упорной диафрагмы в целом работает на изгиб от давления торца полуарки, как однопролетная балка с шарнирными опорами.

Изгибающий момент определяется по формуле

M=q*l² /8=8.48*11.6² /8=142.63 кН/см

где q=N/b=93.35 /11=8.48 кН/см;

? - расчетный пролет равный расстоянию между центрами боковых фасонок, см.

? =11+0,6=11,6 см.

Так как сечение ребристой диафрагмы относительно горизонтальной оси несимметричное, для вычисления момента сопротивления необходимо предварительно найти положение центра тяжести сечения.

Расстояние Z от внешней грани упорной плиты до центра тяжести всего сечения определяется по формуле

Z = =1,5 см,

где все геометрические параметры упорной диафрагмы подставляются в см.

Момент инерции сечения относительно центра тяжести

J=д_уп*h_уп*(z- д_уп/2)² +n_р*(д_р*l_р/12 +д_р*l_р (l_р/2+ д_уп -z)²)= 0.7*19*(1.5-0.7/2)² +3*(0.6*5³/12 +0.6*5(5/2+0.7-1.5)²)=62.34 см⁴

Минимальный сопротивления момент (см³) сечения упорной диафрагмы

W=J/y=62.34/4.2=14.84 см³

где y = (?_р+д_уп -z) = 5+0,7-1,5=4,2 см.

Проверка прочности выполняется по формуле д= M/ W= 142,63 / 14.84=9.61 < R_y г_с /г_n=24 *1.05/1=25.2 кН/см². Если условие выполняется, конструирование узла можно продолжить.

Расчет опорной плиты

Ширина опорной плиты b_оп устанавливается конструктивно в зависимости от ширины поперечного сечения арки b, толщины фасонок д_ф и консольных свесов с.Консольные свесы «с» принимаются длиной 60-110 мм и необходимы для размещения анкерных болтов, диаметр которых принимается в переделах 16-27 мм.

b_оп = b+2* д_ф+ 2*с=11+2*0,6+2*6=24.2 см.

Принимаем: b_оп = 24,2 см.

Требуемая площадь опорной плиты рассчитывается из условия работы на смятие материала нижележащей конструкции (обвязочного бруса) от действия реактивного давления равного R_а F_см =R_a /R_см^± =74.52/0.3=248.4 см²

где =0,3 - расчетное сопротивление древесины смятию поперек волокон с учетом породы древесины, условий эксплуатации и класса ответственности здания.

Размеры опорной плиты в плане b_опЧh_оп должны быть увязаны с размерами всех конструктивных элементов, входящих в состав узла.

h_оп = / b_оп =248,4/24,2=10.26 см.

Принимаем: h_{оп min} = 10 см.

Толщина опорной плиты определяется из расчета ее на изгиб от реактивного давления основания R_а. Расчетная схема плиты в этом случае принимается как однопролетная балка с консолями c. Из опорной плиты в направлении ширины b_оп вырезается расчетная полоса в 1см Максимальный изгибающий момент на опоре вычисляется по формуле:

M=q c²/2 =0.3*6²/2=5.4 кНсм.

На предварительном этапе, при отсутствии окончательной проработки узла, значение линейной нагрузки q можно принять равной 0.3 кН/см.

Требуемая толщина плиты определяется по формуле:

д_оп = = =1.13 см

Принимаем: =12 мм.

Расчет крепления затяжки к фасонкам

Длины угловых сварных швов, соединяющих элементы затяжки с боковыми фасонками, рассчитываются на действие распора H_a по нормам проектирования стальных конструкций:

по металлу шва

l_w =H_a / (в_f*k_f *R_wf*г_wf*y_c) = 60.75/ (0.7*0.5*18*1*1) =9.64 см

по границе сплавления

l_w =H_a / (в_я*k_f *R_wя*г_wя*y_c) = 60.75/ (1*0.5*16.5*1*1) =7.36 см

где - коэффициенты, учитывающие условия сварки. При ручной и полуавтоматической сварке первый коэффициент принимается 0.7, второй - 1.0;

=0,5 - катет шва, см.

Минимальный катет сварного шва принимается в зависимости от типа сварки и толщины более толстого из свариваемых элементов.

При толщине более толстого из свариваемых элементов

4-5 мм катет шва ……….4 мм

6-10 мм катет шва ……….5 мм

11-16 мм катет шва ……….6мм;

Максимальный катет угловых швов должен быть не более 1.2 t=6 мм, где t =5 мм- наименьшая толщина соединяемых элементов.

- коэффициенты условий работы шва и элементов конструкций принимаются равными 1.0; - расчетные сопротивления металла шва и зоны сплавления принимаются по Приложению (табл.14,15). Для стали С245 R_wz =16.5 кН/см². Для электрода марки Э42А (ГОСТ 9467-75) R_wf =18.0 кН/см² [2].

Полученное максимальное значения сварного шва должно быть распределено между парными элементами затяжки: 11,3/2=5,65 см;

В случае использования для затяжки равнополочных уголков сварные швы должны быть перераспределены между пером и обушком. По обушку длина сварного шва составляет 70 % (3,96 см), соответственно по перу 30 % (1,69 см) от общей длины сварного шва приходящегося на один уголок.

При конструировании опорных узлов необходимо соблюдать требования, учитывающие технологические особенности, и облегчающие изготовление конструкций. Фактическая длина сварного шва должна быть больше расчетной как минимум на 10 мм. Минимальная длина сварных швов принимается в пределах 40-50 мм. Необходимо избегать пересечения сварных швов. Для уменьшения влияния сварочных напряжений расстояние между ближайшими сварными швами должно быть не менее 40 мм. Участки контакта элементов затяжки с фасонками за пределами расчетных сварных швов должны быть конструктивно доварены.

Q=R_acos-H_аsin =74,52* cos 37°-60,75* sin37°=22,96 кН,

гдеQ-расчетная поперечная сила

R_a =74,52 - максимальное значение вертикальной опорной реакции, кН;

H_а =60,75 - максимальное значения распора, кН;

= 37° - угол наклона оси арки; для арок кругового очертания - это угол наклона касательной к дуге арки в опорном сечении равный половине центрального угла (74⁰).

Максимальные значения опорных реакций R_a и H_а необходимо взять из статического расчета аркок.

Следует задаться диаметром d_н нагелей в пределах 16-24 мм.

Принимаем: d_н =16 мм.

Расчетное количество двухсрезных нагелей (шпилек) из условия работы на изгиб определяется по формуле

= Q/d_н²= 22,96/(2*2,5*1,6І*)=1.90 (2 штуки)

где =0,9- коэффициент, учитывающий смятие древесины поперек волокон;

=1, =1 - коэффициенты, учитывающие породу древесины и условия эксплуатации.

Расчетное количество нагелей следует увеличить на 20 %, чтобы учесть влияние дополнительного изгибающего момента от внецентренного приложения поперечной силы относительно центра нагельного соединения. Расстановку нагелей следует производить с учетом требований по проектированию соединений в деревянных и металлических конструкциях. Отверстия под шпильки должны иметь овальную форму шириной равной диаметру принятых шпилек и длиной 1.5 их диаметра. Это позволит выполнить обжатие в опорном узле и снять рыхлые деформации.

После окончания всех расчетов устанавливаются окончательные размеры и очертание боковых фасонок. Размеры фасонок устанавливается из условия размещения сварных швов, нагельных соединений и сходящихся в узле элементов. Фасонки должны быть простыми по форме, с минимальным количеством резов. Размеры должны быть кратными 5 мм.

Конструирование и расчет коньковых узлов

Конструкция коньковых узлов арочных конструкций зависит от пролета конструкций. При пролетах до 30 м коньковый узел арок треугольного и кругового очертания обычно решается простым лобовым упором с закреплением полуарок между собой деревянными накладками на нагелях В данном случае продольная сила воспринимается лобовым упором.

Коньковый узел арок кругового очертания решается без эксцентриситета.

Необходимая высота упора в арках кругового очертания определяется из расчета древесины на смятие аналогично опорному узлу

h_уп=N / b *R_см¹¹ =63.66 / 11*1.3= 4.45,

где Н=63,66 - продольное усилие в коньковом узле равно максимальному значению распора H_a в арке;

= 1,3 - расчетное сопротивление древесины смятию вдоль волокон с учетом породы древесины, условий эксплуатации и класса ответственности здания.

При этом h_уп должна быть не менее 0.4 высоты поперечного сечения арки.

Принимаем: h_уп = 18 см.

Для обеспечения лучшей шарнирности конькового узла в арках кругового очертания за пределами лобового упора полуарки симметрично подрезаются под углом 50-45⁰ к оси арки.

Рис. Коньковый узел арки кругового очертания

Поперечная сила Q в коньковых узлах любого типа арок воспринимается парными деревянными накладками, которые шпильками соединяются с арками.

Для дальнейшего расчета конькового узла необходимо выполнить предварительную эскизную проработку (рис.). Длина накладок должна быть не менее 2.5 высоты поперечного сечения арки. Шириной сечения накладок b_н следует задаться в пределах 2/3 ширины поперечного сечения арки b, и скорректировать ее в соответствии с сортаментом по ГОСТ 24454-80.Для клееных конструкции следует учесть острожку с двух сторон по 0.5-0.75 мм.

b_н=2* b/3=2*110/3=73,3 мм;

Принимаем: b_н=75 мм, с учетом острожки b_н=74 мм.

L_н=(2.5-3)*h=2.5*460=1150 мм.

Принимаем: L_н=1150 мм.

Диаметром шпилек d обычно предварительно задаются в соответствии с ГОСТ 2590-88 в пределах 12-20 мм.

Из условия размещения нагелей (шпилек) необходимо установить расстояние между рядами шпилек e₁ и e₂ (рис.). Шпильки, устанавливаются, как правило, в два ряда с каждой стороны стыка и по две шпильки в ряду. При этом расстояние от края накладки до первого ряда шпилек следует принять не менее 7d, между средними рядами шпилек е₁ =14d.

Принимаем: d=14 мм.

Требуемая высота сечения накладок определяется из условия их работы на изгиб от действия поперечной силы

Q = *L /8 = 10.8 * 15/8= 20.25 кН,

где =10,8 - погонная снеговая нагрузка, кН/м; L=15 - пролет арки, м.

=v6М/(2b_нR_и)= v6*303,75/(2*8*1,5)=8,71 см,

где M=Q*e₁/2= 20.25*30/2=303.75- изгибающий момент, кНсм;

R_и=1,5 - расчетное сопротивление древесины изгибу принимается в зависимости от ширины поперечного сечения накладки, породы древесины, условий эксплуатации и класса ответственности здания, кН/см².

При этом должно выполняться условие h_н ? 9.5d=9,5*1,4=13,3 см.

Окончательно высота поперечного сечения накладок должна быть принята в соответствии с сортаментом пиломатериала по ГОСТ 24454 -80*Е и с учетом острожки.

Принимаем: h_н = 150 мм, с учетом острожки h_н = 149 мм.

Достаточность принятого количества шпилек проверяется по формулам:

R₁= Q / 1-(e₁/e₂)= 20.25 / 1-(30/68)=29.16 кН;

R₁= Q / (e₁/e₂)-1= 20.25/ (68/30)-1=16.07 кН;

где R₁ и R₂ - усилия, приходящиеся на первый и второй ряд шпилек, кН;

- минимальное значение несущей способности одного среза нагеля (шпильки), кН;

=2 - количество срезов одной шпильки;

=4 - количество шпилек в ряду.

Минимальное значение несущей способности одного среза шпильки определяется, кН:

1. из условия смятия древесины арки при ширине поперечного сечения b

Т_см = 0.5bd·m_п·m_в·k_б = 0,5*11*1,4*1*1*0,65= 5,01 кН;

где k_б - для арок кругового очертания принимается для угла =90⁰, для треугольных арок для равного углу наклона полуарки;

2. из условия смятия древесины накладок шириной b_н

Т_см = 0.8b_нd·m_п·m_в·k_б = 0,8*7,4*1,4*1*1*0,65=5,39 кН;

где k_б принимается для угла 90⁰.

3. из условия работы шпилек на изгиб

Т_и = (1.8d²+0.02b_н²)= (1.8*1,4²+0.02*7,4²)=3,75 кН ? 2.5d²=

=2.5*1,4²=3,95 кН;

где при определении коэффициента следует рассматривать наибольшее значения угла .

В формулах по определению несущей способности все геометрические параметры подставляются в см.



5. Расчет дощатоклееной колонны

Расчет стоек производится на совместное действие вертикальных и горизонтальных нагрузок (см. рисунок).

Предварительный подбор сечения колонны

Задаются гибкостью стойки. Предельная гибкость л=120.

Расчетную длину стойки в плоскости рамы принимаем l₀ = 2Н, из плоскости - l₀ =Н.

Предварительные размеры сечения колонны примем:

h_k= ==57.69 (cм) b_k===25.86 (см)

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

Принимаем, что для изготовления колонн используют доски шириной 225 и толщиной 40 мм. После острожки толщина досок составит 40-7=33 мм. Ширина заготовочных блоков составит bк = 200 мм. С учётом принятой толщины досок после острожки высота сечения колонн будет:

h_k=18 x 33=594 мм

Сечение колонны будет b_k x h_k =325 x 594 мм.

5.1 Определение нагрузок на стойку

На стойку действуют вертикальные и горизонтальные нагрузки. Вертикальные: вес покрытия (G_п), ригеля (G_р), вес стойки (G_к), вес стенового ограждения (G_ст). Горизонтальная: ветровая (ветер слева q_Wa, W_a; ветер справа q_Wот, W_от).

Нагрузка от собственного веса колонны:

Р_С.К. = h_k * b_k * H * r = 0,594 * 0,325 * 7.5 * 500 = 723,9 кг = 7,23 кН

Подсчет нормативной и расчетной нагрузок сводим в таблицу.

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка, кН/м2	Коэффициент надежности по нагрузке	Расчетная нагрузка, КН/м2
Постоянная			8.68
-вес кровли с прогонами	0.26	1.3	0.33
-собственный вес балок	0.21	1.1	0.23
-собственный вес ферм	0.16	1.1	0.17
-собственный вес колонн	7.23	1.1	7.95
Временная
-снеговая	1.28	1.4	1.8
Итого	9.14		10.48

г. Челябинск относится к 3-ему ветровому району и, значит нормативное значение ветрового давления принимаем w₀ = 0,38 кН/м². Для типа местности «С» находим значение коэффициента к = 0,4.

...