Деревянное промышленное здание

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Южно-Уральский государственный университет Филиал в г. Златоусте Факультет «Металлургический»

Кафедра «Промышленное и гражданское строительство»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

По дисциплине: Конструкции из дерева и пластмасс

Деревянное промышленное здание

Автор проекта:

студент группы ЗД-435

Анисимов Д.В.

Руководитель: Берсенёва М.А.

Нормоконтролер: Берсенёва М.А.

Златоуст 2011

1. Компоновка конструктивных элементов

2. Расчёт ограждающей конструкции

3. Расчёт несущей конструкции

3.1 Расчёт фермы

3.2 Расчет узловых соединений фермы

3.3 Расчёт стойки

3.4 Конструктивный расчет

4. Мероприятия по защите конструкций от гниения, возгорания и увлажнения

4.1 Защита деревянных конструкций от гниения

4.2 Защита деревянных конструкций от возгорания

4.3 Защита деревянных конструкций от увлажнения

Библиографический список

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 спорти 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.

Цель проекта — закрепить теоретические знания студентов, дать необходимые навыки проектирования зданий с несущими и ограждающими конструкциями на основе древесины, научить самостоятельной работе с технической и учебной литературой по данному предмету.

Исходные данные:

Длина здания L = 60 м.

Пролет L ₁ = 18 м; шаг L ₂ = 6 м.

Высота до низа конструкций 4,2 м.

Несущие конструкции — трапециевидная ферма с нисходящим раскосом.

Вид покрытия — Настил по прогонам.

Район строительства — Москва.

1. 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.

Каркас здания представляет собой сложную пространственную конструкцию. Она делится на следующие элементы:

а) основные несущие конструкции:

— балки, арки с затяжками, опирающиеся шарнирно на защемленные в фундамент стойки;

— арки, с непосредственным опиранием на фундамент;

б) ограждающие конструкции покрытия (настил по прогонам);

в) стеновое ограждение (клеефанерные плиты);

г) стойки торцевого фахверка;

д) горизонтальные и вертикальные связи.

Каркас здания должен обеспечивать передачу действующих горизонтальных и вертикальных нагрузок на фундаменты по кратчайшему пути. 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. Схема расстановки связей представлена на рис 1.

Вертикальные связи С1 плоскости стоек 1 устанавливают по торцам здания и через 20…30 м по длине. Эти связи предотвращают возможное смещение оголовка колонн. Связи С2 предотвращают возможное смещение ригеля от вертикали. Вертикальные связи устанавливаются попарно в арках, если при проверке плоской формы деформирования не обеспечивается необходимая устойчивость сжатой кромки элемента.

Горизонтальные связи покрытия С3 ставятся в плоскости верхних сжатых поясов арок и балок у торцов здания и через 20…30 м по длине. Они обеспечивают устойчивость сжатого пояса конструкции. При шаге несущей конструкции 5 м применяется крестовая решетка. Крестовые связи выполняются из металлических тяжей.

Крепление элементов связей осуществляется при помощи болтов или гвоздей.

Схема расстановки связей изображена на рисунке 1.

Рисунок 1. — Схема расстановки связей

2. Расчет ограждающей конструкции

Расчёт настилов

Деревянные настилы и обрешетки рассчитывают на поперечный изгиб по схеме двухпролетной балки на два сочетания нагрузок. Расчётная схема приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. — Расчётная схема настила 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.

Сбор нагрузок на 1 м² настила приведён в таблице 1.

Таблица 1.? Подсчет нагрузок на 1 м² настила

Нормальные составляющие от соответственно расчетной и нормальной нагрузок:

q_x =(q + S) • cos б; (1)

q_x ^н=(q^н + S ^н) • cos б, (2)

где q и Sвеличина расчетных нагрузок соответственно от массы покрытия и снега (табл. 1);

q^н и S ^н — величина нормативных нагрузок соответственно от массы покрытия и снега (табл. 1).

Тогда: q_x =3,241 • cos 5,7 = 3,22 кН/м;

q_x ^н =2,421 • cos 5,7 = 2,41 кН/м, Первое сочетание — максимальный изгибающий момент М₁ возникает над средней опорой и определяется выражением:

(3)

где l — расстояние между прогонами;

q_х— нормальная составляющая от расчетной нагрузки.

Рисунок 3. — Серийные панели настилов по прогонам Соответственно по формуле (3) вычисляется максимальный момент:

= 0,91 кН•м.

Определяем требуемый момент сопротивления W₁ досок рабочего настила по формуле:

см³, (4)

где R_и = 13 МПа — расчетное сопротивление древесины (сосна II-го сорта) изгибу, по таблице 3 ;

— коэффициент надежности здания по назначению.

Окончательно сечение одной доски настила назначается по сортаменту (прил. 1 табл. 1.1, [6])? (150Ч22) мм.

Определяем ширину 1 плиты B по формуле:

см (5)

Определяю шаг расстановки досок по формуле:

(6)

Количество досок рабочего настила на 1 м:

(7)

где, а — шаг расстановки досок настила, мм.

n=

Принимаю 5 досок при шаге расстановки 0,2 м.

Относительный прогиб настила:

(8)

где I — момент инерции сечения доски рабочего настила, вычисляемый по формуле:

I =. (9)

Е = 10 000 МПа =10⁷ кН/м² — модуль упругости древесины;

— предельный прогиб настила по табл. 16 [1]:

I= см⁴;

.

Так как условие выполняется, окончательно принимает выбранное нами сечение.

Второе сочетание нагрузок — максимальный изгибающий момент М₂ возникает на расстоянии 0,43l от крайней опоры и определяется:

М₂ = 0,07g_xl² + 0,207Р_xl, (10)

где g_x = 3,22 кН/м² — расчетная нагрузка по формуле (1).

Монтажная нагрузка Р = 1,2 кН при двойном перекрестном настиле передается на ширину рабочего настила, равную 0,5 м:

Р_х = 2 Р •cosб = 2 • 1,2 •cos5,7 = 2,38 кН. (11)

Тогда:

М₂ = 0,07 •3,22 •1,5²+0,207 •2,38 •1,5 = 1,246 кН •м Проверка прочности рабочего настила по формуле:

(12)

где W — момент сопротивления поперечного сечения настила, определяется по формуле:

(13)

W₂ = = 77,3 см³

m_н = 1,2 (табл. 6 [1]) — коэффициент условий работы ;

г_n = 0,95 — коэффициент надежности здания по назначению

кН/м².

Прочность досок рабочего настила обеспечена.

Расчет прогонов

Прогоны воспринимают нагрузки от настилов и передают их на верхние кромки несущих конструкций или элементы стропильных систем. Консольно-балочные и неразрезные прогоны по расходу материала более выгодны, чем однопролетные. Их применяют в покрытиях с преобладающей равномерно распределенной нагрузкой во всех пролетах, устанавливают при незначительных уклонах под рубероидную кровлю. Расчеты производятся на прочность и прогиб.

Расчётная схема прогона представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. — Расчётная схема прогона Подсчёт нагрузок на прогоны приведён в таблице 2.

Таблица 2.? Подсчет нагрузок на 1 м² панели

Нормальные составляющие от соответственно расчетной и нормальной нагрузок (табл. 2) вычисляются по формулам (1) и (2):

q_x = 4,037 • cos 5,7 = 4,017 кН/м;

q_x ^н =3,146 • cos 5,7 = 3,131 кН/м Прогоны, расположенные на скате кровли, работают на изгиб в двух плоскостях, поэтому расчет прогонов производится по п. 4.12 с учетом косоизгибаемости:

1. Составляющие расчетного изгибающего момента, возникающего на промежуточной опоре, определяются по формуле:

(14)

где М_х — горизонтальная составляющая изгибающего момента

l = 6 м — длина прогона;

.

М_у — вертикальная составляющая изгибающего момента, которую определяем по формуле:

(15)

.

Расчетный изгибающий момент вычисляем по формуле:

(16)

.

2. Проверка на прочность прогона при косом изгибе производится по п. 4.12 формуле (20) [1]:

(17)

где у — напряжение, МПа;

W_x — момент сопротивлений поперечного сечения прогона относительно оси х, определяются по формуле:

(18)

где b — ширина прогона, см;

h — толщина досок настила, см.

W_y — момент сопротивлений поперечного сечения прогона относительно оси у, определяются по формуле:

(19)

При принятых размерах сечения прогона () мм, моменты сопротивлений равны:

см³;

см³.

R_и = 13 МПа — расчетное сопротивление древесины изгибу, по табл. 3.

Проверку на прочность при косом изгибе провожу по формуле (20)

Прочность прогонов обеспечена.

3. Относительный прогиб, наибольший в крайних пролетах, определяется по формуле:

(20)

где qⁿ — нормативная нагрузка на одном погонном метре настила, кН/м²;

I — момент инерции сечения досок рабочего настила, который определяется по формуле (9):

I см⁴

Е — модуль упругости древесины, который равен Е = 10⁵ МПа.

— предельный прогиб настила, по табл. 16 [1];

г_n=0,95 — коэффициент надежности здания по назначению.

По формуле (23) вычислю наибольший относительный прогиб в крайних пролетах:

0,99 МПа? 0,005 МПа

4. Определяем количество гвоздей в конце каждой доски по одну сторону стыка:

(21)

где Q — поперечная сила, кН;

n_ср — число срезов;

Т_min — наименьшая несущая способность гвоздя (кН), определяемая согласно табл. 17.

Гвоздевой стык прогона представлен на рисунке 5.

Рисунок 5. — Гвоздевой стык прогона Несущая способность гвоздя работающего на изгиб определяется по формуле:

(22)

где d — диаметр гвоздя, равный 2 мм;

a — толщина крайних элементов или наиболее тонких элементов односрезных элементов.

(23)

Несущая способность соединения, работающего на смятие.

(24)

кН (25)

Несущая способность соединения в крайних элементах:

(26)

кН Расчет ведется при наименьшей несущей способности односрезного гвоздя:

Т_min = кН Вычисляем число гвоздей по формуле:

шт.

Принимаю число гвоздей n_гв = 5 шт.

3. Расчет несущей конструкции

3.1 Расчет фермы

Геометрический расчет. Геометрическая схема фермы, обозначения элементов фермы и узлов приведены на рисунке 6.

Рисунок 6. — Геометрическая схема трапециевидной клеедеревянной фермы Уклон по условию 1/10:

arсtg 1/10 = 5,7 ?6⁰.

Стойка DI равна расчётной высоте фермы:

f = L/6 = 18 000/6 = 3000 мм

Cтойка АВ равна:

мм

Cтойка CJ равна:

мм Длина ската верхнего пояса между:

L_ск= мм Длина панелей верхнего пояса BС и СD одинакова:

BС = СD= BD/2 = 9050/2 = 4525 мм Длина раскоса BJ равна:

мм Длина раскоса JD равна длине панели верхнего пояса:

мм

Статический расчет.

Определение нагрузок:

Максимально возможные усилия могут возникнуть от следующих комбинаций нагрузок:

I — сочетание нагрузок — постоянная и временная (снеговая и полезная) равномерно распределены по всему пролету конструкции;

II — сочетание нагрузок — постоянная равномерно распределенная на всем пролете и временная равномерно распределенная на полупролете.

Нагрузки, приходящиеся на 1 м² плана здания, сведены в таблице 3, в которой приводятся нормативная и расчетная нагрузки.

Но сначала рассчитываем собственный вес фермы при k_св = 4 по формуле [1]:

кН/м², (27)

где k_св? коэффициент собственного веса фермы (прил. 7) [1];

g^н и S^н? собственно величина нормальных нагрузок от массы покрытия и снега.

Подсчет нагрузок на ферму на 1 м² плана здания приведён в таблице 3.

Таблица 3.? Подсчет нагрузок на 1 м² плана здания

Постоянная нагрузка на 1 м фермы:

(28)

Временная (снеговая) нагрузка на 1 м:

=1,8 •6 = 10,8 кН/м, (29)

Нагрузка на узел верхнего пояса фермы:

Р = = 15,03 • 9 = 135,27 кН (30)

Р_s = = 10,8 • 9 = 97,2 кН (31)

Определение усилий в стержнях фермы.

Расчет усилий в стержнях фермы ведем для двух сочетаний нагрузок.

В первом сочетании принимаем, что снеговая нагрузка действует на всем пролете фермы, следовательно на узлы верхнего пояса действуют сосредоточенные силы Р+ Р_s, а на крайних узлах приложена половина нагрузки Р+ Р_s.

Во втором сочетании принимаем, что распределенная снеговая нагрузка действует на половине пролета фермы. На этой половине пролета в верхний узел фермы прикладываем нагрузку Р+ Р_s, а в крайний узел — половину этой нагрузки. На второй половине пролета нет снеговой нагрузки, поэтому в среднем узле действует сосредоточенная нагрузка Р, а в крайнем узле приложена сосредоточенная нагрузка, равная по величине ее половине. В коньковом узле действует сосредоточенная нагрузка, численно равная сумме половин нагрузок для двух сочетаний.

Для каждого сочетания находим реакции опор, а затем методом вырезания узлов находим усилия в элементах фермы. Все полученные значения заносим в таблицу 4 «Усилия в элементах фермы».

Таблица 4.? Усилия в элементах фермы

Для уменьшения изгибающих моментов в панели фермы необходимо создать внецентренное приложение нормальной силы, в результате чего в узлах верхнего пояса возникают разгруженные отрицательные моменты.

Верхний пояс рассчитывается как сжато-изгибаемый элемент на продольное усилие N = 534,55 кН.

Максимальный изгибающий момент в панели от внеузловой равномерно распределенной нагрузки определяется с учетом, что на верхний пояс приходится половина собственного веса фермы:

кН•м. (32)

Значение расчетного эксцентриситета вычисляем из условия равенства опорных и пролетных моментов в опорной панели верхнего пояса фермы:

(33)

N — усилие в верхнем поясе фермы, кН:

м = 5,2 см

Разгружающий момент определяем по формуле:

(34)

Изгибающий момент от действия продольных и поперечных сил:

(35)

где М₀ — изгибающий момент от распределённой нагрузки, кН· м;

М_N — изгибающий момент от действия продольной силы в стержнях, кН· м:

.

Подбор сечений и проверка напряжений

1) Верхний пояс:

N = 534,55 кН (сжатие) Панели верхнего пояса рассчитываются как сжато-изгибаемые.

Предварительное сечение b x h.

Принимаем сечение верхнего пояса в виде клееного пакета, состоящего из черновых заготовок по рекомендуемому сортаменту пиломатериалов второго сорта сечением 50×200 мм.

Ширина сечения с учетом острожки: b=200−15=185 мм. Клееный пакет состоит из 10 досок общей высотой 10×43 = 430 мм. После склейки пакета его еще раз фрезеруют по боковым поверхностям. Таким образом, сечение клееного пакета составляет b x h=185×430 мм.

Проверку напряжений проводят по формуле

(36)

где у — напряжение в поясе фермы, МПа;

А — площадь поперечного сечения, м², которую вычисляем по формуле:

(37)

где b — ширина сечения клееного пакета, м;

h — высота сечения клееного пакета, м.

.

W — момент сопротивления сечения:

М_q — изгибающий момент от действия продольных и поперечных нагрузок, который определяем по формуле:

(38)

где о — коэффициент, учитывающий дополнительный момент от продольной силы в следствие прогиба элемента, который определяется по формуле:

(39)

ц — коэффициент продольного изгиба, который зависит от л (предельной гибкости);

(40)

l_п — длина панели верхнего пояса, м;

h — высота доски, м.

значит, расчет коэффициента продольного изгиба ц ведется по:

(41)

Коэффициент, учитывающий дополнительный момент от продольной силы следствие прогиба элемента, определяется по формуле (20):

k_n — поправочный коэффициент, который вычисляем по формуле:

(42)

=0,81 — при эпюрах прямоугольного очертания:

Расчетный изгибающий момент определяем по формуле (32):

R_с — расчетное сoпротивление древесины сжатию, которое принимаем равным:

Проверим напряжения по расчету на прочность сжато-изгибаемых элементов по формуле (36):

2) Нижний пояс

N = 633,51 кН (растяжение) Нижний пояс выполняют из уголков стали марки ВСт3кп 2 — 1 по ТУ 14−1- 3023−80.

Необходимая площадь сечения пояса:

(43)

где N — усилие в нижнем поясе фермы, кН;

R_p^cm— расчетное сопротивление стали растяжению Принимаем два уголка размером 63х63х6 мм, площадь которого равна:

где F^' — площадь уголка, определенная по таблице 5.2.

Радиус инерции принятых уголков: i=0,0215 м (по табл. 5.2 [3]).

Гибкость нижнего пояса определяется по формуле:

(44)

где l_н— длина панели нижнего пояса, м;

i — радиус инерции принятых уголков, м:

3) Опорный раскос

N = 118,26 кН (сжатие) Размеры поперечного сечения определяются по предельной гибкости: л = 120.

(45)

где l_р1 — длина первого раскоса, м; л — предельная гибкость, м.

Ширину сечения принимаем по сортаменту b = 185 мм.

Высоту сечения раскоса принимаем из 6 досок толщиной 33 мм после фрезерования. Общая толщина пакета: h = 6· 33 = 196 мм.

Площадь сечения раскоса определяем по формуле:

.

Исходя из формулы (44) гибкость раскоса будет равна:

Значит расчет коэффициента продольного изгиба ведется по формуле:

Расчет на прочность будем вести по формуле:

(46)

N — усилие в раскосе фермы, кН;

А — площадь поперечного сечения раскоса, м²;

ц — коэффициент продольного изгиба;

R_с — расчетное сопротивление древесины сжатию, которое принимаем равным R_c = 15 МПа.

4) Раскосы:

N = 658,73 кН (растяжение) Работает на растяжение, следовательно, выполняют из уголков стали марки ВСт3кп 2 — 1 по ТУ 14−1- 3023−80.

Необходимая площадь сечения пояса:

(47)

где N — усилие в нижнем поясе фермы, кН;

R_p^cm— расчетное сопротивление стали растяжению Принимаем два уголка размером 100×100×7 мм, площадь которого равна:

где F^' — площадь уголка, определенная по таблице 5.2.

Радиус инерции принятых уголков: i=0,0214 м (по табл. 5.2 [3]).

Гибкость нижнего пояса определяется по формуле:

где l_н— длина панели нижнего пояса, м;

i — радиус инерции принятых уголков, м:

4) Опорная стойка:

N = 212,21 кН (сжатие) Принимаем стойку из круглой стали.

Требуемую площадь стойки определяем из условия:

(48)

где N — усилие в опорной стойке фермы, кН;

г_с — коэффициент, учитывающий расчетное сопротивление стали, по табл. 6 п. 5 он равен г_с = 0,9;

0,8 — коэффициент, учитывающий снижение расчетного сопротивления при наличии нарезки;

R_p^ст = 240 МПа расчетное сопротивление стали растяжению.

Принимаем диаметр стойки d=36 мм, тогда площадь нетто будет определяться по формуле:

Полученные значения соответствуют условию (45):

5) Стойки:

N = 422,39 кН (сжатие) Размеры поперечного сечения определяются по предельной гибкости: л = 120.

Ширину сечения принимаем, как в раскосах так и в верхнем поясе по сортаменту b = 185 мм, соответствуя острожке.

Высоту сечения стойки принимаем из 6 досок толщиной 33 мм после острожки. Общая толщина пакета: h = 6· 33 = 198 мм.

Определяем площадь сечения стойки:

.

Исходя из формулы (31) гибкость раскоса будет равна:

Значит, расчет коэффициента продольного изгиба ведется по формуле:

(49)

Расчет на прочность будем вести по формуле (28)

(50)

где N — усилие в раскосе фермы, кН;

А — площадь поперечного сечения раскоса, м²;

ц — коэффициент продольного изгиба;

R_с — расчетное сопротивление древесины сжатию, которое принимаем равным R_c = 15 МПа.

6) Стойки:

N=207,3 кН (сжатие) Размеры поперечного сечения определяются по предельной гибкости: л = 120.

Ширину сечения принимаем, как в раскосах и в верхнем поясе по сортаменту b = 185 мм, соответствуя острожке.

Высоту сечения стойки принимаем из 4 досок толщиной 33 мм после острожки. Общая толщина пакета: h = 6· 33 = 132 мм.

Определяем площадь сечения стойки:

.

Исходя из формулы (44) гибкость раскоса будет равна:

Значит, расчет коэффициента продольного изгиба ведется по формуле:

Расчет на прочность будем вести по формуле (28)

где N — усилие в раскосе фермы, кН;

А — площадь поперечного сечения раскоса, м²;

ц — коэффициент продольного изгиба;

R_с — расчетное сопротивление древесины сжатию, которое принимаем равным R_c = 15 МПа.

3.2 Расчет узловых соединений фермы

1) Опорный узел изображен на рисунке 7. Его выполняют из листовой стали марки ВСт3кп2−1.

Проведём расчёт площадки на смятие.

Зададимся размерами сечения b*h= 185*198 мм.

Рисунок 7. — Опорный узел фермы где — усилие в стойке фермы, N = 422,39 кН;

— площадь поперечного сечения стойки, м²;

R_см — расчетное сопротивление древесины смятию вдоль волокон, принимаем по табл. 3 для сосны 2 сорта R_см = 15 МПа.

Прочность будет обеспечена.

Конструктивно принимаем пластину размерами 420*330*20 и 2 накладки 720*230*10.

2) Карнизный узел Карнизный узел фермы изображен на рисунке 8.

Узел проверяем на напряжение смятия. Смятие древесины происходит от сжимающих сил, действующих перпендикулярно поверхности деревянного элемента.

Напряжение смятия торца верхнего пояса фермы определяем по формуле:

N_см — усилие смятия в верхнем поясе (N_см = 534,55 кН);

F_см — площадь площадки смятия.

Рисунок 8. — Карнизный узел

h — высота площадки смятия;

b — ширина площадки смятия.

Задаемся размерами площадки смятия: b=185 мм; h=200 мм.

По сортаменту швеллеров, принимаем швеллер 20 П.

Конструктивно принимаем:

Металлические накладки размером 370×600×10 мм;

3 болта, диаметром 24 мм, прикрепляющих металлическую пластинку.

3) Коньковый узел.

Коньковый узел фермы изображен на рисунке 9.

Рисунок 9. — Коньковый узел

Зададимся размерами сечения площадки смятия b*h= 210*185 мм и проверим на смятие по формуле (35).

N = 534,55 кН;

Конструктивно применяем вставку размерами 150*210*185 и пластину 400*200*10.

Рассчитаем количество нагелей, используемых для крепления раскосов.

Примем диаметр нагеля равным d=20 мм.

Количество нагелей определяем по формуле:

где N — максимальное усилие в раскосе, кН;

Т_mi— минимальная несущая способность нагеля, определяем по табл. 17 [1]

где а — толщина крайних элементов Расчёт ведём по минимальной несущей способности:

= 7,22 кН По формуле (36) рассчитываем количество нагелей:

Принимаем 9 штук.

3.3 Расчёт стойки

каркас настил ферма деревянный Деревянные стойки являются сжатыми или сжато-изогнутыми конструкциями. Наиболее перспективными в наше время являются дощатоклеенные или клеефанерные стойки. Дощатоклеенные стойки выполняются из досок толщиной не более 40 мм.

Схематический разрез здания приведён на рисунке 10.

Рисунок 10. — Схематический разрез здания Расчёт стоек производится на совместное действие вертикальных и горизонтальных нагрузок (рисунок 11).

Рисунок 11. — Расчётная схема стойки

Предварительный подбор сечения колонн. Предварительная гибкость для колонн равна 120. При подборе размеров сечения колонн целесообразно задаваться гибкостью 100. Тогда при= 100 и распорках, располагаемых по верху колонн, расчетную длину стойки в плоскости рамы принимают l₀ = 2H, из плоскости — l₀ = H, где H = 4,2 м? высота до низа несущих конструкций покрытия.

Расчет толщины колонны :

(51)

Ширину колонны рассчитываем из формулы:

(52)

Принимается, что для изготовления колонн используют доски шириной 200 и толщиной 40 мм (прил. 1 табл. 1.1 [6]). После фрезерования (острожки) толщина досок составит 40 — 7 = 33 мм. Ширина колонны после фрезерования (острожки) заготовочных блоков будет 200 — 15 = 185 мм. С учетом принятой толщины досок после острожки высота сечения колонн будет

Определение нагрузок на колонну. Определяется действующие на колонну расчетные вертикальные и горизонтальные нагрузки.

Подсчет нагрузок горизонтальной проекции приводится в таблице 5.

Таблица 5.? Подсчет нагрузок

Ветровая нагрузка

Нормативное значение вычисляется по формуле:

(53)

где - ветровое давление (для I ветрового района [2])

с — коэффициент аэродинамичности (по прил. 4 [2])

k — коэффициент, зависящий от высоты здания и от типа местности (табл. 6 [2])

Подберём коэффициенты k для типа местности В. Для здания размером в плане 18×60 м:

При => ;

При =>

Ветровая нагрузка, передаваемая от покрытия, расположенного выше колонны:

Определение усилий в колоннах. Поперечную раму однопролетного здания, состоящую из двух колонн, жестко защемленных в фундаментах и шарнирно соединенных с ригелем в виде балки, рассчитываются на вертикальные и горизонтальные нагрузки. Она является однажды статически неопределимой системой. При бесконечно большой жесткости ригеля (условное допущение) за лишнее неизвестное удобство принимается продольное усилие в ригеле, которое определяется по известным правилам строительной механики.

Определение изгибающих моментов (без учета коэффициента сочетаний):

(54)

(55)

эксцентриситет приложения нагрузки от стен:

(56)

изгибающий момент в уровне верха фундамента:

3.4 Конструктивный расчёт

На максимальные усилия:

Для расчета колонн на прочность и устойчивость плоской формы деформирования принимаем значения: N=240,4 кH.

Расчет колонн на прочность по нормальным напряжениям и на устойчивость плоской формы деформирования. Расчет проводится на действие N и M при первом сочетании нагрузок. Рассчитывается на прочность по формуле в п. 4.16 [1]:

(57)

Площадь сечения колонны:

Момент сопротивления по формуле (6):

Гибкость определяется по формуле:

Коэффициент продольного изгиба по формуле (22):

При древесине 2-го сорта и при принятых размерах сечения по табл. 3 .

С учетом m_н = 1, m_сл = 1,2 и коэффициента надежности вычисляется:

МПа.

Коэффициент, учитывающий дополнительный момент от продольной силы вследствие прогиба элемента вычисляется по формуле (10):

. (58)

При эпюре моментов треугольного очертания (п. 4.17 [1]) поправочный коэффициент к по формуле (11):

.

В данном случае эпюра момента близка к треугольной, поэтому по формулам (24) и (25) вычисляется:

кН•м;

Оставляем ранее принятое сечение, исходя из необходимости ограничения гибкости.

Расчет на устойчивость плоской формы деформирования производится по формуле из[1]. Принимается, что распорки по наружным рядам колонн (в плоскости, параллельной наружным стенам) идут только по верху колонн. Тогда:

.

В формуле

(59)

Показатель степени n=2 как для элементов, не имеющих закрепления растянутой зоны из плоскости деформирования:

>70

Коэффициент для изгибаемых элементов прямоугольного поперечного сечения, шарнирно закрепленных от смещения из плоскости изгиба и закрепленных от поворота вокруг продольной оси в опорных сечениях, определяется по п. 4.14 [1];

(60)

где k_ф = 1,75 — коэффициент, зависящий от формы эпюры изгибающих моментов на участке l₀, определяемый по табл. 2 приложения 4.

Применительно к эпюре моментов треугольного очертания:

(61)

так как момент в верхней части колонны равен 0.

Тогда по формуле (27):

.

Следовательно, устойчивость обеспечена.

Расчет на устойчивость из плоскости как центрально сжатого стержня. (см. расчет на устойчивость плоской формы деформирования); N=376,2 (для второго сочетания нагрузок):

Где

Тогда :

Устойчивость обеспечена.

Расчет узла защемления колонны в фундаменте. Опорный узел стойки изображен на рисунке 12.

Рисунок 12. — Опорный узел стойки

Диаметр анкерных болтов

N — усилие, действующее на стойку.

M — изгибающий момент верха фундамента.

h₀ — расстояние между болтами.

- прочность сопротивления стали сжатию = 210 МПа Из (39):

Если d_болта = 2,4 см, то .

Принимаем по 2 анкерных болта d=24 мм на обе стороны.

Расчёт на смятие опорных частей.

Зададимся размерами сечения площадки смятия b*h= 0,185*0,330 м.

где — усилие в верхнем поясе фермы, N = 240,4/2 = 120,2 кН;

— площадь сечения площадки смятия, м²;

R_см — расчетное сопротивление древесины смятию вдоль волокон по табл. 3 для сосны 2 сорта R_см =15 МПа.

Количество болтов, прикрепляющих металлическую накладку. Расчёт ведётся как для нагельных соединений на действие усилия N/2.

Примем диаметр нагеля равным d=20 мм.

Количество нагелей определяем по формуле:

где N — максимальное усилие в верхнем поясе фермы, кН;

Т_mi— минимальная несущая способность нагеля, вычисляем по формуле

где а — толщина крайних элементов Расчёт ведём по минимальной несущей способности нагеля:

= 7,28 кН По формуле (52) рассчитываем количество болтов:

Принимаем 9 штук на каждую сторону.

4. Мероприятия по защите конструкций от гниения, возгорания и увлажнения

4.1 Защита деревянных конструкций от гниения

Основными элементами здания, подвергающиеся химической защите от гниения, являются ограждающие конструкции кровли.

Гниение древесины может происходить лишь при создании определенных условий: температура — от 0 до 50 град. C, доступ кислорода, влажность воздуха — 80−100%, влажность самой древесины — не менее 15−20%.

Особого внимания заслуживают конструктивные мероприятия, предупреждающие совместное воздействие избыточного увлажнения и промерзания деревянных конструкций, резкой смены температур, конденсации влаги, недостаточной циркуляции воздуха. Защиту древесины от атмосферной влаги обеспечивают водонепроницаемая кровля и окраска водостойкими лакокрасочными материалами, от капиллярной влаги — соответствующая гидроизоляция. Избежать конденсационного увлажнения можно, правильно разместив теплои пароизолирующие слои (первый — ближе к наружной, т. е. холодной поверхности, второй — напротив, ближе к внутренней, т. е. теплой).

Разумеется, деревянные конструкции должны опираться на фундаменты и располагаться выше уровня грунта. Не следует забывать об отводе грунтовых вод (дренаже) и устройстве отмосток. Повышению биостойкости способствует хорошее проветривание древесины, обеспечивающее ее естественное высыхание в процессе эксплуатации. Поэтому желательно, чтобы рядом с домом не росли большие деревья, создающие затенение и препятствующие аэрации. Весомый вклад в предупреждение гнилостных поражений деревянных стен может внести обшивка их досками. Особенно с торцов, поскольку торцевой срез является наиболее «слабым местом», и проникание влаги происходит здесь гораздо быстрее и глубже.

Своевременному обнаружению загнивания способствуют тщательные ежегодные осмотры деревянных конструкций. Оптимальное время для этого — весна. Признаками, определяющими начало разрушительной деятельности грибов, являются: изменение внешнего вида древесины, появление характерного запаха и деформация постройки. При обнаружении загнивания следует взять пробы поврежденной древесины для того, чтобы выяснить ее влажность и плотность, а также вид гриба-разрушителя.

В зависимости от размеров и степени поражения древесины принимается решение либо о проведении полной замены поврежденных конструкций, либо о локализации поврежденных мест с целью предупреждения дальнейшего распространения «инфекции».

Локализация подразумевает:

· вскрытие конструкций, если они были облицованы какими-либо отделочными материалами;

· удаление разрушенной части древесины с помощью карщетки, скребка или ножовки (при этом вся гнилая древесина тщательно собирается и сжигается);

· антисептирование.

Антисептики — это химические вещества, которые убивают грибы, вызывающие гнили, или создают среду, в которой их жизнедеятельность прекращается. Антисептики должны обладать токсичностью только по отношению к грибам и быть безвредными для людей и животных, не ухудшать качества древесины, по возможности не вызывать коррозию металлических креплений.

Составы, рекомендуемые для защиты — ХМБ-444 или ХМББ-3324 — кроме антисептирующих свойств, обладают и огнезащитными свойствами.

Так же они сохраняют токсичность в течение заданного срока, легко проникают в древесину, не ухудшая ее физико-механических свойств и не вызывают коррозию металлических креплений. Эти вещества не имеют неприятного запаха; они стойки при высоких температурах и в процессе обработки древесины.

4.2 Защита деревянных конструкций от возгорания

Наименьшую огнестойкость из деревянных элементов здания имеют обшивки из фанеры и тонких досок, применяемых как в ограждающих, так и в основаниях несущих конструкций, поэтому они требуют наиболее тщательной и глубокой пропитки защитными составами.

Для предупреждения принимают специальные меры, которые сводятся к конструктивным удалениям деревянных элементов от источника нагрева:

1. Устройство огнестойких элементов и стен.

2. Покрытие деревянных элементов штукатуркой или облицовкой малотеплопроводной и невозгораемой.

3. Окрашивание огнезащитными красками или пропитки специальными веществами.

Наибольшее распространение получили:

— Огнезащитные краски. Для защиты древесины от огня наиболее эффективными и распространенными являются силикатные краски. Они состоят из жидкого растворимого стекла и тонкомолотого кварцевого песка, мела, тяжелого шпата и магнезита.

— Огнезащитные обмазки. Из обмазок наиболее часто применяют сульфитную глиняную обмазку, состоящую из смеси суперфосфата (25%), сульфитного щелока (15%), глины (25%) и воды с пигментом (35%). Простейшими и общедоступными средствами огнезащиты древесины и конструкций из нее являются обмазки на основе глины, извести, гипса и др.

— Антипирены. Предохраняющее их действие определяется низкой температурой плавления антипиренов с образованием плотной пленки, преграждающей доступ кислорода к материалу, а также разложением антипиренов при нагревании с выделением инертных газов или паров, затрудняющих воспламенение. Наиболее распространенными антипиренами являются фосфаты аммония, сульфат аммония, бура и борная кислота, реже для этих целей применяют хлористый цинк и хлористый аммоний. Антипирены вводят в древесину глубокой пропиткой водными растворами (5066 кг безводной соли на 1 м³ пропитываемой древесины с последующей сушкой).

Для защиты от огня скрытых деревянных элементов в зданиях и сооружениях используется огнезащитные пасты, на основе глин, извести, которые после высыхания образуют несгораемый слой толщиной 2−3 мм.

4.3 Защита деревянных конструкций от увлажнения

Изменение влажности древесины опасно в основном по 2-м причинам:

1. периодическое увлажнение и высыхание древесины связано с её разбуханием и усушкой, что, в свою очередь, с внутренним напряжением, которое ослабляет клеевые швы (особенно в клеефанерных конструкциях).

2. увлажнение свыше 20% приводит к опасности загнивания. Такое увлажнение возможно путём естественной абсорбции влаги из воздуха, при его влажности в помещении свыше 75% или атмосферной влагой при повреждении кровли.

Защита древесины от увлажнения чаще всего осуществляется лакокрасочными покрытиями (ЛКП), предназначенными препятствовать проникновению в древесину атмосферной влаги и водяных паров. Однако следует помнить, что абсолютно парои водонепроницаемых покрытий на основе лакокрасочных материалов (ЛКМ), образующих пленку на поверхности древесины, нет.

Известно, что на долговечность лакокрасочного покрытия оказывает влияние его толщина. С увеличением толщины покрытия возрастает вероятность разрушения пленки вследствие роста внутренних напряжений при старении покрытия, которые суммируются с циклическими деформациями. Поэтому толщина покрытия назначают в пределах 60…120 мкм, что обеспечивает примерный расход лакокрасочного материала 200…400 г/м2 поверхности.

При надёжной защите несущих деревянных конструкций от увлажнения вероятность выхода из строя в результате биологического разрушения столь незначительна, что защищать их от биологического воздействия (за исключением локальных участков) не требуется.

Для защиты торцов и наиболее увлажняемых участков боковых поверхностей деревянных элементов в конструкциях (например, места пересечения конструкциями из дерева кирпичных стен и перегородок, разделяющих отапливаемые и неотапливаемые зоны) применяют мастичные составы на основе эпоксидных смол и тиоколовых мастик. Для повышения эластичности и прочности мастичных покрытий мастику наносят по стеклоткани или стеклосетке.

Так же рекомендуется армировать покрытия: стеклоткани марки Т-11 (ГОСТ 19 170−73*). Эти покрытия кроме хороших защитных свойств и высокой механической прочности препятствуют трещинообразованию. Толщина покрытий 200−500 мкм.

Библиографический список

1. СНиП II-25−80. Нормы проектирования. Деревянные конструкции. — М.: Стройиздат, 1982.

2. СНиП 2.01.07−85. Нормы проектирования. Нагрузки и воздействия.- М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986.

3. Пособие по проектированию деревянных конструкций к СНиП II-25−80 ЦНИСК им. Кучеренко. — М.: Стройиздат, 1986.

4. СНиП II-23−81. Нормы проектирования. Стальные конструкции. — М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988.

5. Зубарев Г. Н. Конструкции из дерева и пластмасс. — М.: Высшая школа, 1980.

6. Берсенева М. А. Одноэтажное промышленное здание с деревянным каркасом: Учеб. пособие к курсовому проекту. — Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2003.