Проект одноэтажного здания с несущим деревянным каркасом

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Томский государственный архитектурно-строительный университет"

(ТГАСУ)

Кафедра "Металлических и деревянных конструкций"

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Проект одноэтажного здания с несущим деревянным каркасом

Выполнил:

Кукормин А.В.

Проверил: Лоскутова Д.В.

Томск-2014

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Пролет здания см

Высота колонны см

Шаг колонн см

Тепловой режим - теплый

Материал конструкции - сосна

Место строительства - Томск

Класс здания - II. Коэффициент надежности по назначению

1. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ЖЕСТКОСТЬ ЗДАНИЯ

Проектируется одноэтажное здание с несущим деревянным каркасом. Основу каркаса составляют последовательно расположенные рамы, образованные двумя колоннами и ригелем. В качестве ригеля используется большепанельная сегментная ферма. Колонны жестко закреплены в фундаменте. Сопряжение ригеля с колонной - шарнирное.

Пространственная жесткость здания обеспечивается связями, объединяющими отдельные рамы. Пространственная жесткость создается системой следующих связей и ферм: скатными связями или жестким покрытием, вертикальными (наклонными) связями между фермами, горизонтальными ветровыми фермами, вертикальными связями по колоннам ряда:

1. Жесткость покрытия с одинарным настилом или обрешеткой без диагональных элементов недостаточна для восприятия ветровой нагрузки и закрепления плоскостных деревянных конструкций в проектном положении. Располагаются в торцевых частях здания и по его длине на расстоянии 20-30 м. Скатные связи могут крепиться к пластям верхнего пояса сверху или снизу или располагаться в плоскости пояса.

2. Вертикальные (наклонные) связи между фермами размещаются так, чтобы ни одна ферма не осталась без вертикальных связей, что приводит к их расстановке через пролет между рамами, а при четном количестве пролетов приходится их устанавливать подряд в двух пролетах (например у одного из торцов здания). Вертикальные связи, обеспечивают вертикальное положение конструкций. Располагаются в плоскости стоек или раскосов (при отсутствии стоек) и связывают фермы попарно. Эти связи воспринимают усилия, появляющиеся от вертикальных нагрузок при выходе ферм из проектного положения.

3. Горизонтальные ветровые фермы устраиваются только в торцах здания и располагаются в плоскости нижних поясов несущих ферм покрытия. Они воспринимают ветровую нагрузку, действующую на торец вдоль оси здания. Ветровые фермы можно устраивать только между жесткими нижними поясами несущих ферм покрытия (при деревянном поясе брусчатых ферм, клеедощатом поясе сегментных и других ферм или при развитом из плоскости металлическом поясе таврового сечения из уголков металлодеревянных ферм).

Связи 1, 2 и 3 принято называть ветровыми, так как они придавая пространственную жесткость конструкции, позволяют наряду с прочими элементами каркаса распределять ветровую нагрузку, действующую на торец здания между всеми рамами.

4. Вертикальные связи по колоннам ряда включают обвязочный брус, связывающий колонны поверху и выполняющий роль распорки, и раскосы в виде тяжей из круглой стали, позволяющие производить их натяжение с помощью муфт. Внизу колонны заанкерены в фундаменты. При большой высоте колонн для устойчивости их из плоскости рамы могут ставиться дополнительные распорки по высоте.

проектирование деревянный каркас колонны

2. РАСЧЕТ ПЛИТЫ ПОКРЫТИЯ

Клеефанерные панели покрытия относятся к облегченным конструкциям индустриального изготовления. Панели покрытий состоят из деревянного несущего каркаса и фанерных обшивок, соединенных каркасом водостойким клеем в одно целое, и образующих коробчатое сечение. Для обшивок применяют фанеру повышенной водостойкости марки ФСФ, а для конструкций, не защищенных от увлажнения, - бакелизированную фанеру ФБС.

Целесообразность применения клеефанерных панелей определяется малой массой при высокой несущей способности, что обеспечивается совмещение в фанерной обшивке ограждающих и несущих функций, как поясов панели, так и настила, который воспринимает местную нагрузку.

В качестве утеплителя применяют, как правило, несгораемые и биостойкие теплоизоляционные материалы, например пенопласт или стекломаты. При изготовлении панели на верхнюю обшивку наклеивают один слой рубероида, образующий кровельное покрытие, другие слои кровли приклеивают после монтажа панели.

Клеефанерные панели покрытия находят применение в отапливаемых и не отапливаемых зданиях в условиях эксплуатации А1, А2, А3, Б1, Б2, Б3 [2, табл. 1].

Продольные и поперечные ребра панелей изготовляют из древесины преимущественно хвойных пород не ниже 2-го сорта. Пиломатериал должен удовлетворять требованиям ГОСТ 24454 - 86, ГОСТ 8486 - 86* и [2, прил. 1].

Покрытие - утепленная клеефанерная плита

Материал обшивки - фанера березовая семислойная водостойкая марки ФСФ по ГОСТ 3916-69 толщиной см:

1. Модуль упругости кН/см2

2. Расчетное сопротивление растяжению вдоль волокон кН/см2 [1, табл. 3.11]

3. Расчетное сопротивление фанеры сжатию вдоль волокон кН/см2

4. Расчетное сопротивление изгибу поперек волокон наружных слоев кН/см2

5. Расчетное сопротивление скалыванию кН/см2

Утеплитель - минераловатная плита толщиной 80 мм плотностью 75 кг/м3.

Модуль упругости древесины ребер кН/см2

2.1 Компоновка рабочего сечения панели

В качестве теплоизоляции используются минераловатные плиты на фенольной связке, укладываемые по слою толя, выполняющему роль пароизоляции. Над утеплителем предусмотрена воздушная прослойка, вентилируемая вдоль панели. Кровля принята из рулонных материалов (рубероид) трехслойная. Первый слой рубероида наклеивается на заводе с применением мастик повышенной теплостойкости и механизированной прокатки слоя. Оставшиеся два слоя наклеиваются после установки панели.

Ширину плиты принимаем равной ширине фанерного листа c учетом обрезки кромок для их выравнивания см. Длину плиты принимаем также с учетом зазора на возможную неточность изготовления

см.

Для дощатого каркаса, связывающего верхние и нижние фанерные обшивки в монолитно склеенную коробчатую панель, принимаем по рекомендуемому сортаменту пиломатериалов - сосна сечением 50х150 мм

( см, см),

что после острожки кромок составит

см.

Пласти средних ребер не строгаем, а наружные пласти крайних ребер строгаем по 2 мм для приклейки к ним дополнительных брусков, обеспечивающих совместную работу смежных плит под нагрузкой. Поперечные ребра устанавливаем в торцах плиты в виде вкладышей, склеенных из обрезков досок, волокна которых направлены вдоль пролета.

Ширина крайних продольных ребер панели

cм

Высота панели соответственно

см

2.2 Сбор нагрузок

Вычисляем нагрузку приходящуюся на 1 погонный метр длины плиты. Результаты заносим в таблицу 1.

Таблица 1. Погонная нагрузка на плиту, кН/м

2.3 Определение приведенных характеристик

Расчетная пролетом плиты будем считать ее длину, уменьшенную на 1%:

см

Расчетная ширина обшивки по формуле:

см

Приведенная площадь фанерной обшивки

см2

Момент инерции приведенного сечения панели (4 ребра в одной панели):

см4

Момент сопротивления приведенного сечения

см3

2.4. Конструктивный расчет

Расчет на прочность растянутой нижней обшивки

Максимальный изгибающий момент в середине пролета

кНсм

Напряжение растяжения в нижней обшивке ( - коэффициент, учитывающий снижение расчетного сопротивления в стыках фанерной обшивки):

кН/см2 < кН/см2

Расчет на устойчивость сжатой верхней обшивки

При расстоянии между продольными ребрами каркаса в свету см и толщине фанерной обшивки см отношение

< 50,

следовательно величина коэффициента устойчивости сжатой фанерной обшивки определяется по формуле [2, форм. 41]

Устойчивость сжатой обшивки панели следует проверять по формуле

кН/см2 < кН/см2

Верхнюю обшивку плит дополнительно следует проверять на местный изгиб от сосредоточенного груза кН, как заделанную в местах приклеивания к ребрам пластинку [2, пункт 4.26].

Проверка верхней обшивки на изгиб под действием местной сосредоточенной нагрузки

В расчетном отношении обшивку рассматриваем как балку с защемленными концами пролетом, равным расстоянию между ребрами каркаса см. Сосредоточенный груз считаем распределенным на ширину обшивки cм

Изгибающий момент

кНсм

Момент сопротивления расчетной полосы обшивки

см3

Напряжение

кН/см2 < кН/см2

Расчет на скалывание по клеевому шву между наружным (продольным) и внутренним (поперечным) шпонами фанеры в месте сопряжения обшивок с ребрами

Поперечная сила на опоре

кН

Статический момент сдвигаемой части приведенного сечения

см3

Суммарная ширина продольных ребер каркаса

см

Напряжение скалывания

кН/см2 < кН/см2

Проверка панели на прогиб

Допускаемый прогиб для плит покрытий [2, табл. 16] составляет пролета.

Относительный прогиб плиты

<

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕТАЛЛОДЕРЕВЯННОЙ ФЕРМЫ

Центральный угол согласно схемы o.

кН/см2 - расчетное сопротивление стали ВСт3кп2.

кН/см2 - временное сопротивление стали

кН/см2 - расчетное сопротивление болтового соединения смятию

Несущие конструкции покрытия проектируем в виде сегментных металлодеревянных пятипанельных ферм с клееным верхним поясом и нижним поясом из прокатных парных уголков. Такая конструкция обеспечивает их индустриальное изготовление и простую сборку из достаточно крупных элементов сборочных марок.

Пролет фермы при нулевой привязке см.

Предварительно назначим сечение колонны задаваясь гибкостью .

Так как длина колонны составляет cм, то расчетная длина колонны в плоскости рамы при одном шарнирно-закрепленном и другом защемленном конце принимается по формуле

см

Тогда высота сечения колонны составит

см

Принимаем см.

Расчетный пролет фермы

см

Для сегментных ферм отношение высоты фермы к пролету принимается 1/6. Соответственно высота фермы в пролете

см

Нижний пояс разбиваем на 3 панели длиной

см

Радиус дуги верхнего пояса фермы

см

Длина панели верхнего пояса

см.

Длина хорды панели см

3.1 Определение узловых нагрузок

Нормативная и расчетная нагрузки от веса покрытия и снегового покрова, приходящаяся на 1 м2 горизонтальной поверхности (по данным таблицы 1):

кН/м2

кН/м2

кН/м2

кН/м2

Приняв согласно [1, стр. 180] коэффициент собственного веса фермы найдем нормативную нагрузку от собственного веса фермы

кН/м2

Расчетная нагрузка

кН/м2

Так как статический расчет фермы производится на узловую нагрузку, приложенную по верхнему поясу, то нагрузки от собственного веса фермы и снега на покрытии необходимо привести к узловым.

Расчетная узловая нагрузка от веса кровли и самой фермы

кН

Расчетная узловая нагрузка от снега на покрытии

кН

3.2 Определение расчетных усилий в стержнях и подбор сечений стержней фермы

Усилия в стержнях фермы от постоянной, снеговой нагрузок определяем с помощью таблицы III.15.

Расчетная схема от единичной нагрузки имеет вид:

Результаты расчета сводятся в таблицу.

Верхний пояс

В сегментных фермах верхний пояс решается без эксцентриситета, разгрузка создается самой формой элемента, его выгибом.

Продольное сжимающее усилие кН.

Расчетная погонная нагрузка от собственного веса и снега

кН/м

Расчетный пролет панели

см.

Принимаем размеры сечения: ширина см, высота см (сосна 2 сорта), компонуя его из досок толщиной 32 мм.

Площадь поперечного сечения

см2

Момент сопротивления

см3

Радиус инерции

см

Гибкость стержня

Коэффициент, учитывающий дополнительный момент от продольной силы вследствие прогиба элемента

Коэффициент продольного изгиба при < 70 по формуле

Изгибающий момент от поперечной нагрузки

кНм

Изгибающий момент от поперечной нагрузки и продольного усилия

кНм

Величина максимального выгиба

см.

Разгружающий момент

кНм

Расчетный изгибающий момент

кНм

Проверка прочности принятого сечения [2, пункт 4.17]

кН/см2 < кН/см2

Устойчивость из плоскости фермы

кН/см2 < кН/см2

Нижний пояс

В панелях нижнего пояса сечения принимаем одинаковыми.

Максимальное растягивающее усилие кН.

Требуемая площадь сечения ( - коэффициент, учитывающий неравномерность натяжения уголков; - коэффициент условий работы элемента)

см2

Принимаем [1, табл. 5.8] нижний пояс из 2-х равнополочных уголков 75х6 ГОСТ 8509-93.

Общая площадь сечения см2; радиус инерции см; масса погонного метра кН/м; момент сопротивления см3.

Гибкость нижнего пояса

< [400].

Проверяем нижний пояс с учетом изгиба от собственного веса

кНсм

Проверка прочности принятого сечения

кН/см2 < кН/см2

Совместная работы двух уголков обеспечивается планками, установленными по длине через 80rx.

Раскосы

Раскос 2-3

Сжимающее усилие кН.

Задавшись гибкостью < [150] определяем высоту сечения раскоса

см

Принимаем ширину раскоса равной ширине верхнего пояса, а высоту см.

Площадь сечения раскоса

см2

Действительная гибкость стержня

Коэффициент продольного изгиба для древесины при ? > 70 [2, пункт 4.3]

Проверка на устойчивость

кН/см2 < кН/см2

Раскос 1-2

Растягивающее усилие кН.

Необходимая площадь поперечного сечения раскоса

см

С учетом размещения болтов принимаем высоту сечения раскоса см.

3.3 Конструирование и расчет узлов

3.3.1. Опорный узел

Упорный швеллер подбирается по изгибу от равномерно распределенной

кН/см

Изгибающий момент

кНсм

Требуемый момент сопротивления

см3

Окончательно принимаем швеллер 10П по ГОСТ 8240-97, для которого см3.

Для принятой марки стали и 2 группы конструкций [3, табл. 55] будем применять ручную сварку электродами марки Э42; назначаем расчетное сопротивление металла швов сварного соединения [2, табл. 56] с угловыми швами кН/см2; по таблице 38* [2] катет шва kш в зависимости от толщины стыкуемых элементов; коэффициенты глубины провара [2, табл. 34*] шва ; ; ; - коэффициенты условий работы шва для данного климатического района; расчетное сопротивление срезу сварных соединений по границе сплавления

кН/см2

Устанавливаем расчетное сопротивление среза

кН/см2

Необходимая длина сварных швов, передающих усилие от верхнего пояса через упорный швеллер на фасонки узла при катете швов см:

см

Принимаем фасонки толщиной см.

Фермы опираются на колонны через обвязочные брусья, выполняющие роль горизонтальных распорок вертикальных связей жесткости между колоннами. Высоту обвязочного бруса назначаем по предельной гибкости при расчетной длине см

см

Принимаем сечение обвязочного бруса см и см.

Местное смятие обвязочного бруса поперек волокон

кН/см2

Длина горизонтального опорного листа

см

Принимаем длину горизонтального опорного листа см.

Реактивное давление обвязочного бруса на опорную плиту составит

кН/см2

Изгибающий момент на консоли

кНсм

Толщина опорной плиты

см

По ГОСТ 82-70* принимаем толщину опорной плиты см.

Необходимую длину швов приварки уголков нижнего пояса к фасонкам в зависимости от толщины свариваемых деталей катеты по обушку см и перу поясного уголка см:

см

см

3.3.2 Промежуточный узел верхнего пояса

Крепление раскоса к верхнему поясу осуществляется с помощью металлических пластин наконечников. Так как усилие в раскосе кН незначительное, то для крепления пластины достаточно 2-4 нагелей.

Диаметр нагелей, скрепляющих накладки с верхним поясом принимаем см. Согласно [4, прил. 5] расчетная несущая способность стального цилиндрического нагеля на один срез, принимается равной меньшему из табличных значений кН.

Требуемое число двухсрезных нагелей

шт

Принимаем число болтов в стыке шт.

3.3.3 Коньковый узел фермы

Усилие от одного элемента верхнего пояса на другой передается лобовым упором. Расчетное усилие в раскосах кН. Расчетное усилие, действующее на узловой болт находится графически и составляет кН.

Коэффициент смятия древесины .

Принимаем диаметр узлового болта см.

Несущая способность болта на один срез:

- из условия изгиба

кН/ср

- из условия смятия среднего элемента (верхнего пояса)

кН/ср

- из условия смятия накладок (толщину накладки примем см)

кН/ср

За расчетную несущую способность болта принимаем

кН/ср

При определении несущей способности болта из-за упругой податливости учитываем три среза вместо четырех.

Несущая способность узла

кН/ср > кН/ср

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОЛОННЫ

4.1 Сбор нагрузок

Отметка верха колонн см.

Давление на колонну от веса снега

кН

Постоянная нагрузка от веса фермы и покрытия

кН

Для заданного района строительства (г. Томск - 4 ветровой район по карте давления ветра) нормативное давление ветра составляет кПа [5, табл. 5]. Приняв тип местности А, коэффициент k учитывающий изменение ветрового давления по высоте до 10 метров равен [5, табл. 6]; Согласно приложению 4 [5] для сплошных конструкций аэродинамические коэффициенты сe равны (промежуточные значения следует определять линейной интерполяцией): ; ; , следовательно на отметке до 10 метров:

- давление ветра с наветренной поверхности

кПа

- давление ветра с подветренной поверхности

кПа

Для упрощения расчета принимается эквивалентная схема ветровой нагрузки. В пределах высоты колонны ветровая нагрузка заменяется равномерно распределенной, значение которой для левой стойки рамы (активное давление) будет равно

кН/м

Для правой стойки рамы пассивное давление вычисляется аналогично:

кН/м

Поперечная рама одноэтажного здания, состоящая из двух колонн, упруго защемленных в фундаментах и шарнирно связанных с ригелем, представляет собой однажды статически неопределимую систему. Продольное усилие в ригеле такой рамы от равномерно распределенной ветровой нагрузки

кН

Оставшуюся часть ветровой нагрузки заменяют главным вектором W, т.е. сосредоточенной силой, приложенной в уровне нижнего пояса фермы. Это объем ветровой нагрузки, распределенной между отметками cм и cм.

Согласно СНиП 2.01.07-85 для заданных отметок и коэффициента, учитывающего изменение ветрового давления по высоте, аэродинамического коэффициента и ветрового напора на отметке до 10 метров для заданного района строительства найдем (принимая коэффициент надежности по нагрузке равным 1.4):

Активное давление ветра на отметке cм:

кН/м2

Активное давление ветра на отметке cм:

кН/м2

Пассивное давление ветра на отметке cм:

кН/м2

Пассивное давление ветра на отметке cм:

кН/м2

Сосредоточенная сила слева:

кН

Сосредоточенная сила справа:

кН

кН

Стеновое ограждение принимаем неутепленными панелями толщиной cм. Вес стенового ограждения составляет кН/м2.

Нагрузка на колонну от веса стены

кН

Вес колонны кН.

Расстояние между серединой стенового ограждения и осью колонны

см

Момент от стенового ограждения

кНм

Усилие от стенового ограждения, приложенное посередине высоты колонны

кН

Изгибающие моменты в нижнем сечении колонны

кНм

кНм

Поперечные силы в заделке колонны

кН

кН

Расчетная продольная сила

кН

4.2 Подбор сечения колонны

Расчетная длина колонны в плоскости рамы при одном шарнирно-закрепленном и другом защемленном конце принимается по формуле

см

Расчетная длина из плоскости [2, п. 4.21] см.

Гибкость колонны в плоскости действия момента

< [120]

Ширина сечения колонны исходя из предельной гибкости

см

Принимаем ширину колонны см.

Гибкости из плоскости деформирования

< [120]

Примем клееную колонну сечением: шириной см и высотой см из досок 50 мм х 9 шт.

4.3 Определение геометрических характеристик сечения

Площадь сечения колонны

см2

Момент инерции сечения

см4

Момент сопротивления

см3

Радиус инерции

см

Коэффициент продольного стержня

Коэффициент

4.4 Проверка напряжений в колонне

Изгибающий момент

 кНм

По [2, табл. 13] коэффициент податливости .

Проверка прочности принятого сечения

= 1.04 кН/см2 < кН/см2

Проверка устойчивости плоской формы деформирования колонны

При наличии в элементе на участке Hk закреплений из плоскости деформирования со стороны растянутой от момента М кромки коэффициент ?м следует умножать на коэффициент kпМ, определяемый по [2, форм. 24], а коэффициент ?x - на коэффициент kпN, причем центральный угол в радианах, определяющий участок Hk элемента кругового очертания (для прямолинейных элементов ); - число подкрепленных (с одинаковым шагом) точек растянутой кромки на участке; ; см.

Расчетная длина рассматриваемого участка

см

По [2, прил.4, табл.2] коэффициент .

Коэффициент



Момент сопротивления расчетного сечения

см3

Коэффициент продольного изгиба, для гибкости участка элемента расчетной длиной Hk из плоскости деформирования

- для элементов имеющих закрепления растянутой зоны из плоскости деформирования.

Размещено на http://www.allbest.ru/

< 1

Проверим клеевой шов

см3

см4

кН/см2 < кН/см2

4.5 Расчет узла защемления колонны в фундаменте

Колонны крепятся к фундаменту с помощью анкерных ботов. Анкерные болты рассчитываются по максимальному растягивающему усилию.

Напряжения на поверхности фундамента определяются по формуле:

Напряжения сжатия

кН/см2

Напряжения растяжения

кН/см2

Длину участка (X) эпюры сжимающих напряжений вычисляем по формуле

 см

Расстояние между продольной осью и центром тяжести эпюры сжимающих напряжений

см

Так как относительный эксцентриситет:

см > см,

то принимаем эксцентриситет по формуле

см

Площадь рассматриваемого участка

см2

Коэффициент

Изгибающий момент

кНм

Усилия в анкерных болтах определяем по формуле:

кН

Требуемая площадь поперечного сечения (брутто) анкерных болтов определяем по формуле (, )

см2

Принимаем по два анкерных болта с каждой стороны диаметром см.

Площадь двух болтов

см2 > см2

ЛИТЕРАТУРА

1. Деревянные конструкции. Примеры расчета и конструирования: учебник пособие / В.Д. Ли. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - 387 с.

2. СНиП II-25-80. Нормы проектирования. Деревянные конструкции. М.: Стройиздат. - 65 с.

3. СНиП II-23-81. Стальные конструкции / Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя, 1990

4. Шишкин В.Е. Примеры расчета конструкций из дерева и пластмасс. - М.: Стройиздат, 1974

5. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия / Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя, 1986

6. Иванов В.А. Конструкции из дерева и пластмасс. - Киев: Вища школа, 1981

Размещено на Allbest.ru

...