Проектирование одноэтажного каркасного здания из деревянных конструкций
Проектирование одноэтажного каркасного здания из деревянных конструкций
Федеральное
агентство по образованию
Государственное
образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Пензенский
Государственный Университет Архитектуры и Строительства»
Инженерно-строительный
институт
Кафедра
Строительные конструкции
Пояснительная
записка
к курсовому
проекту на тему:
Проектирование одноэтажного
каркасного здания из деревянных конструкций
Автор проекта: Эльдар
Специальность: 2903
Группа ПГС-51
Пенза, 2009
1. Компоновка
конструктивного остова здания
Необходимо разработать
проект одноэтажного каркасного здания из деревянных конструкций (надземная
часть). Здание предназначено для использования в качестве спортивного корпуса.
Предусматривается, что строительство будет производиться в III снеговом районе и IV ветровом районе. Ширина здания в осях 42 м., длина здания 66
м., шаг поперечных рам 6 м., полезная высота 11 м. В качестве покрытия будет
использоваться плоская металлическая кровля. Материал из которого изготовляются
несущие конструкции лиственница. Рама трех шарнирная клеедощатая. В качестве
ограждающих конструкций будут использоваться трехслойные плиты с заполнителем
из пенопласта. Простота изготовления, надежность и экономичность арок
способствовала ее применению в покрытии проектируемого здания.
Клееные деревянные арки
являются более эффективными как с экономической, так и с эстетической точки
зрения по сравнению с балочными конструкциями. Они имеют наиболее широкий
диапазон применения в зданиях и сооружениях различного назначения. Арочные
конструкции используются в покрытиях производственных, складских, зрелищных,
выставочных, спортивных, зрелищных, общественных и других зданий и сооружений
как больших, так и малых пролетов.
Арки являются распорными
конструкциями. Наличие распора уменьшает расчетные изгибающие моменты в них по
сравнению с моментами балочных конструкций, что в свою очередь приводит к
уменьшению рабочих сечений, а, следовательно, к снижению расхода материала. Распор
воспринят стальной затяжкой.
Так как пролет более 30
м, то клееная деревянная арка запроектирована трех шарнирной из условия
изготовления и транспортировки и собирается из двух гнутых элементов. Очертание
арки круговое, описанное по дуге окружности вокруг одного центра.
Основные узловые
соединения трех шарнирной арки – опорные и коньковые шарниры. В большепролетных
арках с затяжками предусматриваются – стыки затяжек и узлы крепления подвесок.
Опорные и коньковые шарниры выполнены с применением валиковых шарниров.
2. Проектирование
панели со сплошным срединным слоем
Требуется запроектировать
утепленную панель покрытия производственного здания. Панели укладываются
непосредственно на несущие конструкции, устанавливаемые с шагом 6 м. В целях максимальной сборности принимаем размеры панели в плане 3000x6000 мм. Верхняя обшивка принята из алюминиевого листа
толщиной 1 мм., а нижняя из стали толщиной 1 мм. Средний слой – из
полихлорвинилового пенопласта марки ПХВ-1 с объемной массой 100 кг/м3.
Обрамляющие элементы панели выполнены из гнутых фанерных профилей швеллерного
типа высотой 200 мм.
2.1 Выбор конструкции
и назначение основных размеров
Рис.1 Поперечное сечение
панели.
Общую высоту панели
назначаем в пределах с
учетом стандартного размера высоты обрамляющего элемента (швеллера) и с
соблюдением условия, что .
Принимаем h=200+1+1=202 мм., что составляет примерно . Расстояние между осями обшивок h0=201 мм.
В целях экономии
материала срединного слоя (при hр>80 мм.) внутри его выполняются пустоты, располагаемые вдоль длины
панели. Ширину пустот принимаем b0=200 мм. (< 250 мм.).
Расстояние сп
от обшивки до пустоты, принимаем в пределах , назначаем сп=35 мм.
Толщина пенопласта d между пустотами пенопласта принята
равной 45 мм, что дает возможность равномерно распределить пустоты по ширине
панели и отвечает требованию чтобы оно было больше 40 мм. и больше
2.2 Подсчет нагрузок
Постоянную нагрузку от
покрытия подсчитываем по фактическому весу всех элементов (обшивок, обрамления
и срединного слоя) панели. Результаты подсчета приведены в таблице 1.
Сбор нагрузок
№
п/п
|
Вид нагрузки
|
Нормативная
qн, кН/м2
|
|
Расчетная
qн, кН/м2
|
1
2
3
4
|
Постоянные нагрузки
–верхняя обшивка (алюминий) =1 мм.
–утеплитель (пенопласт =100 кг/м3)
–обрамление (фанерный швеллер)
–нижняя обшивка (сталь) =1 мм
Итого постоянная
|
0,026
0,028
0,029
0,0785
0,231
|
1,1
1,2
1,1
1,1
|
0,0286
0,0289
0,031
0,0864
0,264
|
|
Временная нагрузка
–снег
|
1,26
|
|
1,8
|
|
Всего
|
1,491
|
|
2,064
|
2.3 Определение
геометрических характеристик
Прежде чем определить
геометрические характеристики, проверим, к какому типу относится панель. Для
этого проверим условия:
,
где .
Условия выполняются,
следовательно, панель относится к четвертому типу (согласно классификации [1]),
то есть к панелям со сплошным срединным слоем. Для таких панелей обрамляющие
ребра, расположенные по контуру, в работе не учитываются. Геометрические
характеристики подсчитывают без учета срединного слоя для расчетной полосы,
равного 1 м. Принимая во внимание, что обшивки сделаны из различного материала,
то все геометрические характеристики будем приводить к материалу верхней
обшивки.
Приведенный статический
момент
.
Площадь, приведенная к
материалу верхней обшивки
.
Определяем положение нейтральной оси
.
Приведенный момент
инерции относительно нейтральной оси
Приведенный момент
сопротивления
,
.
2.4 Определение
расчетных усилий
Проверяем, не относится
ли панель к гибким пластинам, используя выражения:
;
886,65<7153,
следовательно, панель не относится к гибким пластинам. Рассчитываем панель, как
свободнолежащую балку на двух опорах с расчетным пролетом .
2.5 Проверка несущей
способности панели
Проверка прочности
растянутой обшивки:
Так как толщина сжатой
обшивки меньше 4 мм., то прочность ее проверяем с учетом начальной кривизны по
формуле
,
где .
Проверка прочности
срединного слоя
-по нормальным
напряжениям
где ;
-по касательным напряжениям
-по эквивалентным
напряжениям
2.6 Проверка
прогибов панели
Изгибная жесткость панели
с учетом податливости срединного слоя равна:
,
где .
Проверяем прогиб панели
по формуле:
.
2.7 Расчет
на местные нагрузки
В качестве местной
нагрузки принимаем монтажный груз Pн=1000 Н с
коэффициентом надежности .
Интенсивность действия местной нагрузки
Радиус приведенного
круга:
.
Значения коэффициентов при характеристике
1) ;
.
2) ;
.
Проверяем прочность:
а) по нормальным
напряжениям в обшивке:
,
.
б) по касательным
напряжениям в обшивке:
,
в) по нормальным
сжимающим напряжениям в срединном слое:
.
3. Проектирование
круговой арки
Трехшарнирные арки
являются статически определимыми системами, поэтому определение усилий в них не
вызывает каких-либо трудностей. Весь статический расчет будем производить в
следующей последовательности:
1.
выбор
геометрической схемы;
2.
подсчет нагрузок
и выявление характера их действия;
3.
определение
усилий в сечениях и составление сводной таблицы усилий.
3.1
Выбор
геометрической схемы
За геометрическую схему,
а в равной степени и за расчетную схему арки принимают линию, соединяющую
центры тяжести сечений, т.е. геометрическую ось арки (рис.2).
Для арки с затяжкой
геометрический расчет сводится к следующему.
При известной величине
пролета l=42 м. и принятой стреле подъема f=6 м. радиус кривизны r арки кругового очертания определяется
по формуле
Центральный угол
раскрытия выполняется по
формуле
Длину дуги арки S определим выражением
Рис.2 Расчетная схема
арки
3.2
Подсчет
нагрузок
1. Постоянная нагрузка от
покрытия подсчитывается по фактическому весу всех элементов (обшивок,
обрамления и среднего слоя) панели. Для возможности дальнейшего сравнения нескольких
вариантов в расчетах будем использовать нормативное значение нагрузки и с учетом коэффициента
надежности расчетное значение .
2. Снеговую нагрузку
будем подсчитывать по [10].
Вариант 1. При равномерно распределенной
снеговой нагрузке интенсивностью
(=1,6–коэффициент надежности по нагрузке, согласно
[10] при ).
Вариант 2. При распределенной по треугольнику
треугольной нагрузке с максимальной ординатой
3. Ветровая нагрузка
определяется по [10].
Характер действия
ветровой нагрузки показан на рис.2.
Интенсивность ветровой
нагрузки подсчитывается по формулам:
где – скоростной напор для второго района;
C–аэродинамический коэффициент;
B–коэффициент, учитывающий изменение
скоростного напора по высоте (для местности типа B [10 табл.6] при высоте H=11м. К=0,44 ; при H=15,2 м. К=0,61 ; при H=17
м. К=0,68; другие значения К находятся по интерполяции);
–коэффициент надежности по нагрузке, равный 1,4.
Рис.3 Схема ветровой
нагрузки на арку.
Для каждой зоны (см.
рис.3 ) принимаем средние значения коэффициентов Ci и Ki.
При и имеем Ce1=
-0,2; Ce2= -0,8; Ce3=
-0,4.
Другие коэффициенты
показаны на рис.16.
4. Собственный вес арки
подсчитываем по формуле
где qн и pн – соответственно постоянная (вес
покрытия) и временная (снег) нагрузки, действующие на арку;
Kс.в – коэффициент собственного веса, для
арки принимаем равным 4.
Величина распределенной
нагрузки от собственного веса:
– нормативная
– расчетная
На 1 м2 горизонтальной проекции
Погонные нагрузки на арку
при шаге 6 м.:
– постоянная
– снеговая:
Вариант 1
Вариант 2
– ветровая:
Полная расчетная схема
рамы дана на л. 1.
3.3 Определение усилий
в сечениях арки
Усилия в сечениях арки подсчитываем с помощью
ЭВМ по программе “Арка”.
По результатам распечатки
находим расчетные значения усилий M, Q, N при различных видах загружения и различных сочетаниях
нагрузок. Результаты расчета приведены в таблице 3.
Таблица 3.
L
|
f
|
r
|
n
|
Нагрузки
|
q
|
s1
|
s2
|
s3
|
w1
|
w2
|
w3
|
w4
|
42.00
|
6.00
|
39.75
|
5
|
3.10
|
9.45
|
19.20
|
9.60
|
0.49
|
2.19
|
2.19
|
0.98
|
4.
Конструктивный
расчет арки
4.1
Подбор
сечения арки
Сечение арки принимаем
прямоугольным, склеенным из досок плашмя. Задаемся, согласно рекомендациям
СНиП, высотой арки равной ,
и уточняем ее, исходя из целого числа склеиваемых досок. Принимаем 28 досок
толщиной 42 мм. и шириной 192
мм (что соответствует нестроганным стандартным доскам 200x50 мм.). Тогда размеры сечения будут =1176x192 мм. Древесина принята первого сорта, для которой
14 МПа, 1,6 МПа. С учетом коэффициентов mп=1,2, mб=0,85 (при h=117 см.), mсл=0,95 (при 42 мм.) и mгн=1,0 (при 946>500) величина расчетного сопротивления будет
равна
Для принятого сечения
имеем
4.2 Проверка прочности
сечений
Проверяем прочность
наиболее нагруженного сечения (с максимальным изгибающим моментом) т.е. сечения
3, где M=-286.8 кН м, N=-299.434 кН.
Находим значение
коэффициента , для чего
сначала подсчитываем коэффициент по формуле
Проверяем прочность
сечения по формуле
Вывод: Прочность сечения обеспечена.
Проверяем клеевые швы на
скалывание:
Вывод: Прочность клеевых швов на скалывание
обеспечена.
Проверку устойчивости
арки производим по формуле
.
Считаем, что арка
раскреплена по верхней кромке связями, которые ставятся через 3 м. Нижняя кромка не имеет раскреплений, т.е. вертикальные и горизонтальные связи по нижним поясам
отсутствуют. Учитывая, что расчетная нагрузка в проверяемом выше сечении
создает положительные изгибающие моменты, за расчетный участок lр принимаем расстояние между связями, т.е. lр=3000 мм.
Подсчитываем коэффициенты:
при гибкости
(коэффициент kф принят равным 1,0 ввиду небольшого
изменения моментов на концах рассматриваемого участка lр).
Проверяем устойчивость
арки
Вывод: Устойчивость обеспечена.
Однако арку необходимо
проверить еще на устойчивость плоской формы деформирования с учетом сочетания
нагрузок, которые вызывают отрицательные изгибающие моменты (растяжение в верхней
кромке и сжатие в нижней). Расчетные усилия будут равны: M=-286,8 кНм, N=-299,434 кН.
Для такого случая имеем:
Величины коэффициентов,
учитывающих закрепление из плоскости деформирования со стороны растянутой от
момента М кромки. При m>4
(в нашем случае ) они имеют
следующие значения:
где -центральный угол, рад, определяющий
участок
Проверяем устойчивость
арки:
Вывод: Устойчивость обеспечена.
Проверяем устойчивость
арки из плоскости:
где
Таким образом, принятое
сечение арки удовлетворяет требованиям прочности и устойчивости.
4.2
Расчет
затяжки
Максимальное усилие в
затяжке
Н=113,925+347,288=461,213
кН.
Затяжка выполнена из двух
стальных уголков марки ВСт3пс6-1.
Требуемая площадь уголков
а одного уголка
Принимаем уголок 90x90x7 (F=12,28
см2 > 11,3 см2).
4.3 Расчет узлов
Опорный узел.
Расчетные усилия: N=530,829 кН, Q=58,8 кН.
Конструкцию опорного узла
принимаем с валиковым шарниром. Материал шарнира- сталь марки 10Г2С1 (Ry=310 МПа).
Рис.4 – схема опорного
узла.
Расчет валикового шарнира
на изгиб и упорных пластин на смятие производим на равнодействующую усилий N и Q в шарнире:
Принимая расстояние между
упорными пластинками в арке ,
находим величину изгибающего момента в валике:
Требуемый момент
сопротивления валика
;
Принимаем валик диаметром
d=75 мм. (W=41,4 см3 > 41,29 см3).
Проверяем валик на срез
по формуле
.
Принятый валик
удовлетворяет требованиям прочности.
Толщину упорных пластин
принимаем из условия смятия. Общая толщина пластин в арке и опорном башмаке должна
быть не менее
Принимаем толщину пластин
в арке равной 16 мм., а в опорном башмаке- 32 мм.
Торец арки проверяем на
смятие. Величина напряжений смятия при действии расчетной продольной силы не
должна превышать расчетного сопротивления смятию (RСМ=14 МПа). Усилие от шарнира передается на башмак длиной lб=600 мм. через гнутый швеллерный профиль двумя
боковыми ребрами.
Площадь смятия торца арки
под швеллером
Условие прочности
Прочность обеспечена.
На болты, присоединяющие
оголовок, действуют усилия Nб, вызываемые поперечной силой:
.
Необходимый диаметр болта
определяем, исходя из его несущей способности, по изгибу:
.
При n=2 (два болта) имеем
.
Принимаем конструктивно
два болта d=16 мм.
Упорную плиту башмака
рассчитываем как балку на опорах, загруженную в середине пролета силой N. Максимальный изгибающий момент в
такой балке
где l1=120 мм.- расстояние между боковыми пластинами
опорного башмака.
Принимая ширину плиты b1=400 мм., находим требуемую толщину по формуле
.
Принимаем толщину плиты
равной 34 мм.
Размеры опорной плиты
башмака назначаем из условия смятия опорной деревянной подушки под действием
максимальной опорной реакции: A=263,55
кН, т.е.
.
Принимая B=240 мм., найдем, что
.
Принимаем L=400 мм. Толщина опорной плиты
назначают из условия работы ее на изгиб. Опасными являются консольные участки
для которых изгибающий момент
.
Толщина опорной плиты
должна быть не менее
.
Принимаем . Сварные швы, соединяющие детали узла
между собой, рассчитываются в соответствии с требованиями СНиП II-23-81*. Нормы
проектирования. Стальные конструкции.
Коньковый узел.
Коньковый узел в целях
унификации выполняем аналогично опорному, т.е. тоже с применением валикового
шарнира. Усилия: в узле N=461,213
кН, Q=49,612 кН.
Расчет валикового шарнира
на изгиб и упорных пластин на смятие производим на равнодействующую усилий N и Q в шарнире:
Рис.5 – схема конькового
узла.
Принимая расстояние между
упорными пластинками в арке ,
находим величину изгибающего момента в валике:
Требуемый момент
сопротивления валика
;
Принимаем валик диаметром
d=75 мм. (W=41,4 см3 > 35,9 см3).
Проверяем валик на срез
по формуле
.
Принятый валик
удовлетворяет требованиям прочности.
Толщину упорных пластин
принимаем из условия смятия. Общая толщина пластин в арке и опорном башмаке
должна быть не менее
Принимаем толщину пластин
в левой полуарке равной 14 мм., а в правой- 28 мм.
Торец арки проверяем на
смятие. Величина напряжений смятия при действии расчетной продольной силы не
должна превышать расчетного сопротивления смятию (RСМ=14 МПа). Усилие от шарнира передается на башмак длиной lб=600 мм. через гнутый швеллерный профиль двумя
боковыми ребрами.
Площадь смятия торца арки
под швеллером
Условие прочности
Прочность обеспечена.
На болты, присоединяющие
оголовок, действуют усилия Nб, вызываемые поперечной силой:
.
Необходимый диаметр болта
определяем, исходя из его несущей способности, по изгибу:
.
При n=2 (два болта) имеем
.
Принимаем конструктивно
два болта d=16 мм.
5. Расчет стойки
В целях унификации
принимаем для стойки те же доски что использовались для проектирования арки =42 мм. и шириной 192 мм. (что
соответствует не строганным стандартным доскам 200x50 мм.). Задаемся высотой сечения в пределах . В соответствии с этими размерами
принимаем 24 доски =42 мм.,
итого .
Рис.6 – сечение колонны.
Расчет рамы будем
производить по схеме приведенной на рис.7
Рис.7 – расчетная схема
рамы.
Для расчета найдем усилия
M,N,Q, для этого
найдем горизонтальные составляющие ветровой нагрузки W и W/.
Горизонтальные
составляющие:
,
.
Вертикальные
составляющие:
,
.
Усилие N будет представлять собой сумму
усилий от постоянной нагрузки =198,45
Кн, снеговой нагрузки =65,1
кН и собственного веса колонны .
.
Находим значение ветровой
нагрузки действующей на колонну:
– слева ;
– справа .
Находим усилие,
передающееся на стойку
, где
;
.
Находим значения моментов
и поперечных сил в правой и левой стойках. Расчет будем производить по схеме
показанной на рисунке 9:
Рис.9 – расчетная схема
стойки.
–левая стойка
;
.
–правая стойка
;
.
Геометрические
характеристики для принятого сечения
Площадь сечения ;
Момент сопротивления ;
Момент инерции ;
Радиус инерции ;
Гибкость .
Проверка прочности
сечений.
Проверяем прочность
наиболее нагруженного сечения (с максимальным изгибающим моментом) т.е. сечения
на опоре, где M=143,63 кН
м, N=280,65 кН.
Находим значение
коэффициента , для чего
сначала подсчитываем коэффициент по формуле
Проверяем прочность
сечения по формуле
Вывод: Прочность сечения обеспечена.
Проверяем клеевые швы на
скалывание:
Вывод: Прочность клеевых швов на скалывание
обеспечена.
Проверяем устойчивость
стойки в плоскости рамы
Проверку устойчивости
будем производить на момент M=143,63
кН/м и продольную силу N=280,65кН
по схеме приведенной на рис.10.
Рис.10 – расчетная схема
стойки.
Подсчитываем
коэффициенты:
при гибкости
(коэффициент kф принят равным 2,45).
Находим
Проверяем устойчивость
арки
Вывод: Устойчивость стойки в плоскости рамы
обеспечена.
Проверяем устойчивость
арки из плоскости:
Проверку устойчивости
будем производить продольную силу N=280,65 кН по схеме приведенной на рис.11.
Рис.11 – расчетная схема
стойки
Находим необходимые
характеристики:
момент инерции
радиус инерции
гибкость
коэффициент продольного
изгиба
Вывод: Прочность стойки из плоскости рамы
обеспечена.
Крепление стойки к
фундаменту
Принимаем
жесткий узел крепления стойки к фундаменту с помощью анкерных болтов (рис.12 ).
Расчет производим на
продольную силу N=280,65 кН. и
момент М=143,63 кН*м.
Находим ,
где
Рис.12 – крепление стойки
к фундаменту.
Проверяем прочность торца
колонны на смятие:
.
Принимаем под фундамент
бетон класса В 15 c Rc=11 МПа.
Находим требуемую площадь
сечения анкера
.
Принимаем анкерный болт
диаметром 26 мм. ()
Проверяем прочность
анкерного соединения
.
Вывод: прочность обеспечена.
Крепление пластины
принимаем на болтах.
Минимальная несущая
способность одного болта 22 диаметра
,
где .
Определяем необходимое
количество болтов
Принимаем 6 болтов
диаметром 22 мм.
Делаем проверку .
Вывод: прочность обеспечена.
Список используемой
литературы
1.
Конструкции из
дерева и пластмасс. 5-е изд./ Под ред. Г.Г.Карлсена и Ю.В.Слицкоухова. –М.:
Стройиздат, 1985.-542 с.
2.
Гринь И.М.
Проектирование и расчет деревянных конструкций: Справочник. –Киев: Будивельник,
1988.
3.
Иванов В.А. и др.
Конструкции из дерева и пластмасс. Примеры расчета и конструирования. 3-е изд.
–Киев: Вища школа, 1981.
4.
Индустриальные
деревянные конструкции: Уч.пос. для вузов. Под ред. Слицкоухова Ю.В. –М.:
Стройиздат, 1991.-251 с.
5.
Светозарова Е.И.,
Душечкин С.А., Серов Е.Н. Конструкции из клееной древесины и водостойкой
фанеры. Примеры проектирования. –Л.: Лененградский инж.- строит. ин-т, 1974.
6.
Вдовин В.М.
Распределение сосредоточенного давления в клеефанерных конструкциях. –В сб.
Облегченные конструкции покрытий зданий. –Ростов-на-Дону: Ростовский
инж.-строит. ин-т, 1979, с.16-26.
7.
Хрулев В.М.
Деревянные конструкции и детали: Справочник строителя. –М.: Стройиздат, 1983.
–287 с.
8.
СНиП П-25-80.
Нормы проектирования. Деревянные конструкции. –М.: Стройиздат, 1982.-65 с.
9.
Пособие по
проектированию деревянных конструкций (к СНиП П-25-80). –М.: Стройиздат, 1986.
–215 с.
10.
СНиП 2.01-07-85.
Нагрузки и воздействия. –М.: Стройиздат, 1988.
|