Содержание
1. Исходные данные
2. Определение действующих нагрузок
2.1 Определение нагрузок на ограждающую панель
2.2 Определение нагрузок на клеедеревянную балку покрытия
2.3 Определение нагрузок на колонну
3. Расчёт и конструирование клеефанерной ограждающей панели
3.1 Расчётные характеристики материалов
3.2 Геометрические характеристики
3.3 Проверка панели на прочность
4. Расчет и конструирование клеедеревянной балки покрытия
4.1 Конструировнаие
4.2 Расчет клеедеревянных балок покрытий
5. Расчёт колонны
5.1 Исходные данные
5.2 Определение нагрузок и усилий
5.3 Расчет крепления колонны к фундаментус анкеров
6. Обеспечение пространственной устойчивости здания
7. Мероприятия по обеспечению долговечности деревянных конструкций
Список литературы
1. Исходные данные
Проектируемое здание – промышленное отапливаемое, однопролётное. Пролёт здания 15 м, шаг колонн 6 м, высота 8,5 м, тепловой режим – холодный. Длина здания 30 м. Снеговая нагрузка для Новосибирска 1,5 кПа, ветровая нагрузка 0,45 кПа.
2. Определение действующих нагрузок
2.1 Определение нагрузок на ограждающую панель
Место строительства г. Новосибирск.
Нагрузки на 1 м2 горизонтальной проекции панели
Наименование нагрузки
Нормативная нагрузка, кН/м2
Коэффициент перегрузки
γf
Расчетная нагрузка, кН/м2
Постоянная
Три слоя рубероида на битумной мастике
0,090
1,3
0,117
Фанерные полки (0,009 + 0,006)*700/100*1,5
0,16
1,1
0,18
Рёбра (0,046*0,169*5,98*4+ 0,046*0,144*0,43*15)*500/100*6
0,19
1,1
0,21
Постоянная
0,44
–
0,51
Снеговая
1,5
1,6
2,4
Полная
1,94
–
2,91
Коэффициент надежности для снеговой нагрузки γf = 1,6 определяемый в зависимости от отношения нормативного собственного веса покрытия к нормативному весу снегового покрова: gn / S0 = 0,44 / 1,5 = 0,3 кН м,
кН,
где расчётный пролёт плиты l = 5,98 – 0,06 = 5,92 м.
2.2 Определение нагрузок на клеедеревянную балку покрытия
Исходные данные: балка двускатная многослойная клееная; расчетный пролет l =15 м; поскольку кровля рулонная принимаем уклон i =0,1.
Сбор нагрузок:
Наименование нагрузки
Норм. нагрузка,
кН/м
Коэффициент
надежности
Расч.нагрузка,
кН/м
Постоянная
Утепленная плита покрытия
1,45 х 6
2,42
2,966
Собственная масса (0,25*1,2*5)
1,5
1,1
1,65
Итого:
3,92
4,62
Временная
Снеговая нагрузка
3,15
1,4
4,41
Нагрузка на 1 м.п. балки: нормативная: qn =7,07 кН / м; расчетная: q =9,03кН / м.
3. Расчёт и конструирование клеефанерной ограждающей панели
3.1 Расчётные характеристики материалов
Плиты утепленные, под рулонную кровлю; обшивки из берёзовой фанеры марки ФСФ сорта В/ВВ (расчетное сопротивление растяжению Rф.р.=14МПа; расчетное сопротивление скалыванию Rф.ск.=0,8МПа; модуль упругости Еф=9000МПа); фанера соединяется с деревянным каркасом клеем марки ФР-12; ребра из сосновых досок II сорта (сечением 46 х 169 мм, расчетное сопротивление изгибу Rдр.и.=13МПа; модуль упругости Едр=10000МПа); толщина фанеры для верхней обшивки принята равной δс = 9 мм, нижней δр = 6 мм.
Принимаем размеры плит: ширина bп = 1470 мм; высота = 184 мм; длина = 5980 мм.
Количество продольных ребер определяется из условия продавливания верхней обшивки панели монтажной нагрузкой P = 1,2 кН.
Принято два наружных и два внутренних продольных ребра. Поперечные рёбра из таких же досок расположены через 1,5 м по длине панели в местах стыковки фанерных обшивок.
3.2 Геометрические характеристики
а = b0 + bp = 42,9 + 4,6 = 47,5 см; l = 592 > 6 а = 6*47,5 = 285 см.
Приведённая ширина полки, см:
bврасч = 0,9 bв = 0,9*147 = 132,3;
bнрасч = 0,9 bн = 0,9*149 = 134,1.
Геометрические характеристики панели приводим к фанере.
Расчётная схема дощато-фанерной панели
Приведенная площадь сечения:
Fпр = Fф + FеЕ/Еф, Fпр = 134,4*0,6 + 132,3*0,9 + 4,6*4*16,9*1000/900 = 80,5 + 119,1 + 345,1 = 545 см2.
Статический момент площади сечения относительно нижней грани плиты:
Расстояние от нижней грани плиты до центра тяжести сечения:
; h – y0 = 8,7 см.
Приведённый момент инерции:
,
Моменты сопротивления, см3:
см3,
см3.
3.3 Проверка панели на прочность
Прочность нижней полки на растяжение:
МПа
Устойчивость верхней полки по формуле:
МПа,
где при , .
Проверка верхней полки на местный изгиб по формуле:
Проверка скалывающих напряжений по клеевому слою между шпонами фанерной обшивки в зоне приклейки продольных ребер каркаса:
Приведенный статический момент:
Расчетная ширина клеевого соединения:
Касательные напряжения:
Проверка панели на прогиб от нормативной нагрузки:
, где
1/200 – предельный прогиб в панелях покрытий.
Следовательно, клееефанерная плита имеетпрогибы от нормативных нагрузок, не превышающие допускаемых, и ее несущая способность по отношению к расчетным нагрузкам имеет дополнительные запасы несущей способности.
Вывод: по расчёту принимаем плиту размером в плане 5980*1470 мм с четырьмя продольными рёбрами сечением 46*169 мм. Листы фанеры длиной 1525 мм состыковываем на «ус» в трёх местах по длине плиты. Поперечные рёбра в торцах плиты и под стыками фанеры. Верхняя полка толщиной – 9 мм, нижняя – 6 мм.
4. Расчет и конструирование клеедеревянной балки покрытия
4.1 Конструировнаие
Поперечное сечение балки проетируем прямоугольным. Высоту балки в середине пролета назначаем равной
Балку составляем из досок толщиной в заготовке 50мм, а в деле после двухсторонней острожки – 45мм. В середине пролета балку собираем из 34 слоев досок, что обеспечивает балке высоту h = 34*4,5 = 153 см.
Высота балки на опоре при заданном уклоне кровли должна быть
Принимаем 17 досок, что составляет 17*4,5=76,5см=0,5h
Максимальная ширина сечения балки принимается равной 16,5см.
Назначаем ширину досок в заготовке 160 мм, а в деле, после острожки боковых поверхностей склеенной балки b = 150мм.
4.2 Расчет клеедеревянных балок покрытий
Расчёт производится в большинстве случаев на изгиб как одноролетных шарнирно опертых балок на равномерно распределенную нагрузку от собственного веса элементов покрытия и веса снега.
Расстояние от оси опоры двускатной балки до наиболее напряженного сечения при работе на изгиб:
Изгибающий момент в опасном сечении:
Высота балки в расчетном сечении:
Момент сопротивления сечения:
,
где – коэффициент условий работы балки вычотой 114см.
Нормальные напряжения от изгиба:
,
где =15 МПа расчетное сопротивление изгибу клееной древесины, принимаемое с учетом большей надежности балок сечением более 13 см; – коэффициент условий работы учитывающий повышение несущей способности клеедеревянной балки (по мере уменьшения толщины склеиваемых досок снижается влияние пороков древесины) при толщине 42 мм и более =0,95.
Расчет клеедеревянных балок на скалывание производится на действие в сечении над опорами максимальных поперечных сил по формуле:
Момент инерции сечения балки в середине пролета:
Коэффициент учитывающий переменность сечения:
к=0,15+0,85h0/h=0.575
Относительный прогиб балки:
Требуемая площадь смятия опорной подушки
,
где – расчетное сопротивление смятию поперек волокон в опорных плоскостях конструкций.
При ширене балки b=15 cм, требуемая ширина опорной площадки равна:
см. Принимаем 20 см.
5. Расчёт колонны
5.1 Исходные данные
Высота здания 7,5м; высота колонны 5,97 м; город строительства Новосибирск.
Расчетная схема
5.2 Определение нагрузок и усилий
Характер распределения статической составляющей ветровой нагрузки в зависимости от высоты над поверхностью земли определяют по формуле:
wm = wo×k×c×B×γf,
где wo нормативное значение ветрового давления, принимаемое в зависимости от района строительства, wo = 1,5 кПа;
k — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления в зависимости от высоты здания;
с — аэродинамический коэффициент; c = 0,8 – для наветренной стороны, c = 0,6 – для подветренной стороны;
= 1.4; B = 4,5 м — шаг стропильных конструкций.
Определим коэффициент k на высоте до 5 м, а также в уровне конька 7.5 м для напора и отсоса при направлении действия ветровой нагрузки слева и справа.
h, м
к
5,0
0.5
7,5
0.58
qн = wo×k×c×B×γn×γf = 1,5×0,5×0,8×6×1,4 = 1,764 кН/м
qо = wo×k×c×B×γn×γf = 1,5×0,58×0,6×6×1,4 = 1,535 кН/м
Нагрузка от плит покрытия на 1 м2 горизонтальной проекции кН/м2, нагрузка от балки кН/м2, снеговая нагрузка кН/м2.
Для определения массы колонны задаемся предварительными размерами ее сечения, исходя из предельной гибкости , следовательно: b ≥ l0y / (0,289∙λх) = 597/ (0,289∙100)=20,65 см; Принимаем по сортаменту с учётом острожки b = 217 мм.
см,
где l0 = 2,2*5,97=13,134 м — расчётная длина колонны в плоскости рамы.
Сечение колонны составим из 14 досок b´h =217´33 мм в виде пакета b´h = 217х462 мм. Плотность древесины кг/м3.
Площадь: см2,
Момент сопротивления: см3,
Момент инерции: см4,
Радиусы инерции: см, см,
Момент сопротивления: см3.
Поперечная рама одноэтажного здания, состоящая из двух колонн, упруго защемленных в фундаментах и шарнирно связанных с ригелем, представляет собой один раз статически неопределимую систему.
Продольное усилие в ригеле такой рамы от равномерно распределенной ветровой нагрузки:
кН,
где H – расстояние от уровня чистого пола до низа стропильных конструкций.
Максимальный изгибающий момент в колонне от ветровой нагрузки на уровне верха фундамента:
в левой колонне:
кНм,
в правой колонне:
кНм.
Нагрузка на колонну от веса стены:
Рcт = gcт∙H∙B = 0,485∙5,97∙4,5=13,03 кH
Усилие в ригеле от нагрузки стеновых панелей:
кН,
где кН∙м,
Эксцентриситет:
см.
Момент от стены:
Мcтлев =- Мcт +хст∙H = -4,51+ 0,647∙5,97 = 0,647кНм
Мcтпр = Мcт –хст∙H = 3,43–0,647∙5,97 = -0,647кНм
Собственный вес колонны:
кН
Нагрузка от плит покрытия:
кН,
где м толщина стеновых панелей, м вылет карниза.
Нагрузка от балки:
кН
Нагрузка от снега:
кН.
Расчетная сила в колонне на уровне верха фундамента:
в левой колонне:
кН,
в правой колонне:
кН.
Усилия в левой стойке
№ п/п
Вид нагрузки
M,кНм
N,кН
1
Вес покрытия и фермы
33,47
2
Снег
36,3
3
Стена
0,647
13,03
4
Собств. вес колонны
2,99
5
Ветер
29,88
1. сочетание 1 + 3 + 4 + 2 – N = 85,79кН, M = 0,647кНм
1+3+4+5 N = 49,49кН, M = 30,53кНм
2. сочетание 1+3+4+(2+5)*0.9 N = 82,16кН, M =27,54кНм
3. сочетание (1+3+4)×0.9/1.14 + 5 N = 39,07кН, M = 30,39кНм
В плоскости рамы расчет на прочность проводят на действие максимальных продольных сжимающих сил и изгибающих моментов от расчетных нагрузок по формуле:
,
где при мм, при толщине досок 33мм, – коэффициент условий работы.
Изгибающий момент с учетом деформаций определяется по формуле:
,
где коэффициент влияние деформаций изгиба
коэффициент продольного изгиба.
,
Действующий изгибающий момент:
кНм.
Напряжения в колонне:
Расчет на устойчивость плоской формы деформирования сжато-изгибаемых элементов проводят по формуле:
,
где – для элементов, имеющих закрепление растянутой зоны из плоскости деформирования, jу – коэффициент продольного изгиба для гибкости участка элемента расчетной длиной lp из плоскости деформирования; jm – коэффициент, определяемый по формуле
, кф = 2.32
следовательно, связи в плоскости колонн не обязательны, но для надежной работы колонн связи ставим, соединив их попарно в середине высоты, тогда гибкость из плоскости
.
Определим коэффициенты и :
где – для прямолинейных элементов,
– число подкрепленных точек растянутой кромки.
.
Подставляя полученные значения в формулу, получим:
,
Следовательно устойчивость обеспечена.
5.3 Расчет крепления колонны к фундаментус анкеров
Расчетные усилия: N = 39,07кН, M = 30,39кНм
Коэффициент
,
Поправочный коэффициент:
кн = aн + x(1– aн)=1,22 + 0,93∙(1 – 1,22) = 1,015
Мд = кНм.
Эксцентриситет: е0 = м.
Напряжение сжатия в крайнем анкере
МПа.
Напряжение растяжния в крайнем анкере
МПа.
Расстояние сжатой зоны
м,
h0 = h – a = 0,462 – 0,05 = 0,412 м, где a = 50мм
м;
м;
Определим усилия в анкере
кН.
Требуется площадь анкерных болтов
где Rв.а = 185 для болтов из стали ВСт3кп2
0,85 – коэффициент, учитывающий неравномерность включения в работу анкерных болтов.
Принимаем два болта Æ20мм с А = 3,14 см2
Определим расчетом количество нагелей, крепящих металлическую пластину к колонне. Несущая способность одного нагеля Æ20мм:
Тн4 = 2.5 × d2 = 2.5 × 22 = 10кН
Количество нагелей:
nн = , принимаем нагеля Æ20мм.
6. Обеспечение пространственной устойчивости здания
Деревянное каркасное здание представляет собой сложную пространственную систему, образованную из плоских конструкций. Их расположение и соединение между собой обеспечивают надёжное восприятие внешних усилий любого направления в соответствии с условиями эксплуатации. Компонуют каркас так, чтобы усилия передавались с одной конструкции на другую и кратчайшим путём доводились до фундамента. При этом не должны нарушаться пространственная неизменяемость, устойчивость и прочность всей системы и отдельных её элементов.
В зданиях различные плоскостные конструкции (балки, арки, фермы) соединяются между собой связями, образуя пространственную жесткую систему, обеспечивающую надежное восприятие внешних сил любого направления.
Поперечную устойчивость и неизменяемость каркаса здания создают плоские несущие конструкции, способные воспринимать кроме вертикальных нагрузок также горизонтальные.
Продольную неизменяемость и устойчивость каркасов зданий и сооружений, как правило, обеспечивают постановкой в плоскости стен связевых систем, которые соединяют между собой несущие и ограждающие конструкции и образуют жесткие диски. Связевые системы воспринимают внешние в основном горизонтальные нагрузки с передачей их на фундаменты, фиксируют в проектном положении плоские несущие конструкции и предотвращают деформации их в плоскости, перпендикулярной плоскости несущей конструкции вследствие возможной потери устойчивости их сжатых частей.
Вертикальные 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.
Связи в плоскости нижних поясов ферм и вертикальные связи между фермами придавая пространственную жесткость конструкции, позволяют наряду с прочими элементами каркаса распределять ветровую нагрузку, действующую на торец здания между всеми рамами.
Кроме связей между фермами в каркасе здания выделяют связи между колоннами в плоскости стены между колоннами. Они устанавливаются в крайних от торцов здания пролетах, а в зданиях, длинна которых превосходит 30 м, и в центральных пролетах.
7. Мероприятия по обеспечению долговечности деревянных конструкций
Деревянные конструкции необходимо предохранять от гниения, возгорания и увлажнения. К мерам конструкционной защиты от гниения деревянных конструкций относятся: устройство надежной гидроизоляции и пароизоляции, обеспечение свободного доступа к опорным конструкциям, гидроизляция деревянных элементов от других материалов, устройство вентиляционных продухов в стеновых панелях и плитах покрытия.
Для огнезащитной пропитки древесины применяют вещества, называемые антиперенами. Эти вещества, введенные в древесину, при опасном нагреве плавятся и разлагаются, покрывая огнезащитными пленками или газовыми оболочками, препятствующими доступу кислорода к древесине, которая при это может медленно разлагаться и тлеть, не создавая открытого пламени и не распространяя огня. Также применяются различные защитные краски и другие составы.
Для изготовления деревянных конструкций допускается использовать материалы с определенной влажностью, в зависимости от температуры и режима внутри помещения.
При эксплуатации конструкций в условиях постоянного и периодического увлажнения и невозможности устранить эти факторы с помощью конструктивных мер необходимо предусмотреть обработку древесины антисептиками.
Список литературы
1. Конструкции из дерева и пластмасс: Учеб. пособие для вузов / Г.Н. Зубарев, Ф.А. Бойтемиров, В. М. Головина и др.; Под ред. Ю. Н. Хромца. М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 304 с., ил.
2. СНиП II-25-80. Деревянные конструкции / Госстрой СССР. — М.: Стройиздат, 1982.
3. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия / Госстрой СССР. — М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1987.