Защита деревянных конструкций

Целью выполнения данного курсового проекта является закрепление теоретических знаний по расчету и проектированию конструкций из дерева и пластмасс.

В составе данного раздела курсового проекта решаются следующие вопросы:

1. Расчет конструкций покрытия здания, заданного по шифру;

2. Определение действующих нагрузок, разработка расчетных схем элементов покрытия, выполнение статических расчетов;

3. Проверка несущей способности элементов покрытия и поперечной рамы здания;

4. Разработка и принятие мер для защиты деревянных конструкций от загнивания, возгорания и коррозии.

Исходные данные

Шифр — 096:

Шаг рам в продольном направлении — 4,2 м

Длина пролета — 23 м

Расстояние до низа стропильных конструкций — 9,0 м

Схема основных несущих конструкций здания (см. рис. 1)

Длина здания равна 11*В=46,2 м

Рис. 1 Схема основных несущих конструкций здания

1. Геометрический расчет конструктивной схемы.

Геометрический расчет конструктивной схемы заключается в определении размеров элементов фермы (рис. 2)

Рис. 2 Расчетные длины элементов фермы.

Принимаем уклон фермы. Тогда высота фермы в середине пролета составит:

Угол наклона верхнего пояса фермы к горизонтали составит:

.

Определяем длины элементов фермы:

2. Сбор нагрузок

Сбор нагрузок на горизонтальной поверхности покрытия:

Таблица 1. Сбор нагрузок для расчета клеефанерной плиты

Таблица 2. Сбор нагрузок для расчета фермы

3. Расчет клеефанерной плиты

Принимаем размеры плиты в плане (см. рис. 3)

Обшивка клеефанерной плиты — водостойкая фанера марки ФСФ сорта В/ВВ толщиной .

Ребра из сосновых досок второго сорта, клей КБ-3. Так как тепловой режим здания теплый, укладываем утеплитель — минераловатные плиты толщиной с объёмным весом. Пароизоляция из полиэтиленовой плёнки толщиной .

Принимаем каркас плиты из четырех продольных рёбер размерами поперечного сечения принятыми по сортаменту с учетом острожки по периметру :

Ширина панели по верху, по низу

Расчётный пролёт плиты:

Принятая высота панели:, что составляет пролёта.

Рис. 3

Геометрические характеристики сечения Коэффициент приведения к фанере равен:

Приведенная площадь сечения:

Приведенный момент инерции сечения:

где расстояние от центра тяжести сечения плиты до центра тяжести нижней и верхней фанеры соответсвенно;

площадь сечения нижней фанеры;

площадь сечения верхней фанеры;

Проверка клеефанерной плиты на прочность Расчетная схема плиты приведена на рисунке 4.

Рис. 4

а) Расчетная схема плиты

б) Эпюра изгибающих моментов

в) Эпюра перерезывающих сил Определяем погонную нагрузку на плиту:

Момент в расчетном сечении составит:

Напряжения в растянутой обшивке:

где расчетное сопротивление растяжению фанеры толщиной по табл. 10.

Проверяем устойчивость сжатой обшивки в расчётном сечении по формуле 6.4 [3]:

где, т.к.

.

Тогда, где по табл. 10 [1]

Верхнюю обшивку дополнительно проверяем на местный изгиб от сосредоточенной силы как заделанную в местах приклеивания к рёбрам при расчётной ширине, равной 100 см. При этом должно выполняться условие:

Условие выполняется, следовательно плита выдержит местную нагрузку .

Проверяем скалывающие напряжения по клеевому шву фанерной обшивки. Поперечная сила равна:

Приведённый статический момент верхней обшивки относительно нейтральной оси равен:

Расчётная ширина клеевого соединения:

Определяем касательные напряжения:

Расчетное сопротивление фанеры скалыванию определяем по табл. 10 [1]

условие выполняется.

Проверка клеефанерной плиты на прочность Проверяем относительный прогиб панели по формуле 6.8 [3]:

Условие выполняется, следовательно прогиб плиты меньше допустимого.

Вывод:

Запроектированная плита отвечает нормативным требованиям по прочности и пожесткости.

4. Расчет несущей конструкции покрытия

Статический расчёт фермы Статический расчет фермы заключается в определении усилий в элементах фермы. При статическом расчете используем приёмы строительной механики. Расчётная погонная нагрузка на ферму составит:

Рис. 5 а) расчётная схема фермы, б) приведение расчётной нагрузки к узловой.

Узловая нагрузка:

Определяем опорные реакции:

Определяем усилия в первой панели справа:

Усилия во второй панели:

Усилия в третей панели:

Усилия в четвёртой панели:

Определяем усилия в стойках фермы:

Расчёт элементов фермы Расчёт верхнего пояса ведем по наибольшему усилию в первой панели. Кроме того в поясе возникает изгибающий момент от вне узлового расположения клеефанерных плит покрытия. Определяем этот момент:

Верхний пояс проектируем из бруса сечением; , .

Определяем гибкость по формуле 1.6 [4]:

где расчётная длина изгибаемого стержня верхнего пояса первой панели,; радиус инерции сечения, для прямоугольного сечения .

Определяем коэффициент по формуле 1.14 [4]:

где по табл. 3.

Определяем напряжения по формуле 1.13 [4]:

где по табл. 3.

Прочность верхнего пояса обеспечена.

Сечение нижнего пояса принимаем одинаковым с верхним —; ,. Расчёт ведём по наибольшему растягивающему усилию. Учитываем ослабление пояса двумя нагелями диаметром .

Напряжения растяжения определяем по формуле 1.1 [4]:

где расчётное сопротивление древесины на растяжение принятое по табл. 3.

Первый раскос сжимается силой и имеет расчётную длину. Задаемся сечением.. Определяем гибкость:

. Согласно приложению 2 .

Проверяем устойчивость по формуле 1.3 [4]:

где принято по табл. 3.

Аналогично второй и третий раскосы:

. Задаемся сечением:.. Определяем гибкость:

. Согласно приложению 2 .

.

. Задаемся сечением:.. Определяем гибкость:

. Согласно приложению 2 .

.

Растягивающие усилия во второй стойке. По приложению 6 принимаем тяж диаметром с несущей способностью по. Шайбы под тяж ставим размером .

Усилия в третей стойке. Принимаем тяж диаметром с несущей способностью по. Шайбы под тяж ставим размером .

Усилия в четвёртой стойке. Принимаем тяж диаметром с несущей способностью по. Шайбы под тяж ставим размером .

Расчёт узлов и стыков фермы.

Опорный узел решаем на металлических хомутах с тяжами из круглой стали.

Опорная реакция фермы .

Верхний сжатый пояс упирается во вкладыш. Площадь упора. Расчётное сопротивление смятию при направлении усилия под углом к направлению волокон вкладыша (приложение 4 [4], кривая 1) .

Проверяем вкладыш на смятие:

.

Натяжные хомуты опорного узла состоят из четырёх тяжей, стального упора в левой части и двух вертикальных уголков в правой части хомутов (см. рис. 6).

Рис. 6. Опорный узел на стальных натяжных хомутах.

На стальной упор, состоящий из двух вертикальных уголков и двух приваренных к ним горизонтальных траверс, через вкладыши передается горизонтальная составляющая усилия, равная, а на вертикальные уголки в правой части хомутов через деревянные накладки опорного узла, скреплённые с нижним поясом нагелями, передается от пояса уравновешивающее растягивающее усилие .

Требуемая площадь сечения нетто:

0,85 — коэффициент, учитывающий возможную неравномерность распределения усилия между тяжами.

По приложению 6 принимаем тяж d = 20 мм с . Сечение накладок назначаем. Вкладыш высотой 20 см упирается в вертикальные уголки. Расстояние между осями тяжей в вертикальном направлении .

Изгибающий момент в вертикальном уголке, считая, что давление от вкладыша на уголок будет равномерным, Принимаем уголки, с, .

Момент сопротивления уголка Напряжение изгиба в уголке Вертикальные уголки хомута у торцов накладок принимаем такими же:. Горизонтальные траверсы проектируем из двух сваренных вместе неравнобоких уголков, образующих коробчатое сечение. Для одного уголка

, .

Момент инерции сечения траверсы:

Момент сопротивления Расстояние между осями тяжей в плане

.

Длина площади опирания вертикальных уголков на горизонтальную траверсу Изгибающий момент в траверсе Напряжение изгиба Накладки с поясом соединяем нагелями из круглой стали d = 20 мм.

Необходимое число нагелей:

где 920 — несущая способность нагеля на один срез при толщине накладки .

Ставим 6 нагелей, из которых 4 — болта. Нагели размещаем соблюдая нормы расстановки (см. рис. 6)

Проверяем прочность нижнего пояса:

Опорная реакция фермы:

Требуемая ширина опорной подушки из условия смятия древесины поперек волокон:

Принимаем ширину подушки согласно сортаменту.

Промежуточные верхние узлы решаем на лобовых: врубках. Первый раскос примыкает к верхнему поясу под углом. Расчетное сопротивление смятию (приложение 4 [4]) .

Требуемая глубина врубки раскоса в пояс

. Принимаем .

В первом промежуточном узле сечение верхнего пояса ослаблено отверстием диаметром d = 14 мм для тяжа, врубкой снизу и врубкой сверху с целью создания горизонтальной площадки для укладки шайбы под тяж. При ширине шайбы глубина врубки сверху должна быть не менее, принимаем .

Площадь сечения пояса нетто Напряжение сжатия Второй раскос упирается в пояс под углом. Расчетное сопротивление смятию (приложение 4 [4]) .

Требуемая глубина врубки

принимаем .

Глубина врубки сверху для укладки шайбы, принимаем .

Напряжение сжатия верхнего пояса во втором узле У второго промежуточного узла устраиваем стык брусьев верхнего пояса. Стык выполняем простым лобовым упором и перекрываем парными накладками сечением, скрепленными с поясом болтами диаметром d = 12 мм. С каждой стороны стыка ставим по четыре болта.

Третий раскос упирается в пояс под углом. Расчетное сопротивление смятию (приложение 4 [4]) .

Требуемая глубина врубки

принимаем .

Глубина врубки сверху для укладки шайбы, принимаем .

Напряжение сжатия верхнего пояса в третьем узле:

Коньковый узел также решаем лобовым упором с перекрытием стыка парными накладками. С каждой стороны стыка ставим по три болта диаметром d = 12 мм. Смятие брусьев в стыке по вертикальной плоскости не проверяем ввиду очевидного запаса прочности.

Угол примыкания первого подкоса к поясу в нижнем узле ,

Требуемая глубина врубки раскоса в нижний пояс

принимаем

Проверяем прочность нижнего пояса по сечению в промежуточном узле. Расстояние между ослаблением врубкой и ослаблением отверстием для тяжа равно. Учитываем только ослабление врубкой .

Центр тяжести ослабленного сечения смещен относительно оси пояса на . Вследствие несимметричного ослабления врубкой в расчетном сечении возникает момент:

Момент сопротивления сечения нетто:

Напряжение по формуле (1.12) [4]:

Для изготовления нижнего пояса должны быть отобраны брусья, удовлетворяющие качественным требованиям, предъявляемым к элементам I категории.

У второго промежуточного узла в нижнем поясе устраиваем стык брусьев. Стык выполняем простым лобовым упором и перекрываем парными накладками сечением, скрепленными с поясом болтами диаметром d = 12 мм. С каждой стороны стыка ставим по четыре болта.

У третьего нижнего узла в средине панели устраиваем стык брусьев нижнего пояса. Его выполняем раздвинутым с длинными накладками из досок , соединенными с брусьями пояса нагелями диаметром d = 20 мм.

Требуемое число двухсрезных нагелей в стыке

принимаем .

Здесь 920 — несущая способность нагеля на один срез при толщине накладки (приложение 5 [4]).

Расставляем нагели по два в ряд, соблюдая нормы расстановки:, , .

Для уменьшения дополнительных моментов, возникающих в месте перелома оси нижнего пояса, стыки располагаем как можно ближе к промежуточным узлам. Перелом оси возникает при придании ферме строительного подъема

.

Проверяем принятое сечение накладок стыка на разрыв по ослабленному нагелями сечению:

В среднем нижнем узле раскосы заходят в просвет между накладками раздвинутого стыка, упираясь один в другой и в шайбу среднего тяжа. Каждый раскос прикреплен к накладкам болтами диаметром d = 20 мм, работающими как двухсрезные нагели.

Болты рассчитываем на разность усилий в смежных панелях нижнего пояса при нагружении фермы односторонней временной нагрузкой по формуле (7.1) [4]:

где .

Усилие, воспринимаемое болтами, передается под углом к направлению волокон древесины раскосов.

Расчетная несущая способность нагеля на один срез:

где по табл. 2.2 [4]

Требуемое число нагелей:

Ставим в каждый раскос по два болта для закрепления проектного положения. Раскосы присоединяем к накладкам эксцентрично, так что в центре узла пересекаются не оси раскосов, а их верхние кромки. Тогда расстояние от точки взаимного пересечения осей раскосов до центра узла:

Изгибающий момент, возникающий в накладках вследствие эксцентричного прикрепления раскосов, по формуле (7.3) [4]:

Растягивающее усилие в нижнем поясе при односторонней временной нагрузке по формуле (7.2) [4]:

Момент инерции сечения накладок, ослабленного двумя отверстиями для нагелей:

Момент сопротивления Напряжение в накладках по формуле (1.12) [4]:

.

7. Расчет стоек поперечной рамы

Сбор нагрузки на стойку рамы.

На стойку рамы действуют вертикальные и горизонтальные (ветровые) нагрузки. Вертикальная сжимающая сила равна опорной реакции фермы. Так как высота до низа стропильных конструкций, то ветровую нагрузку считаем равномерно распределенной по всей высоте стойки согласно.

Рис. 7 а) сбор нагрузок на поперечную раму; б) расчетная схема стойки.

Статический расчет стойки рамы.

Расчетная схема стойки рамы приведена на рисунке 7. За лишнюю неизвестную принимаем реакцию ригеля — продольное усилие в ригеле на уровне верха стойки, которое определяем по формуле где ;

При расчете стойки, в виду ее малого веса, нагрузку от собственного веса не учитываем.

Определяем изгибающий момент в основании стойки:

Конструирование и расчет стойки рамы.

Высоту сечения стойки принимаем равной (два бруса по 25 см и один — 10 см), а ширину — .

Проверяем прочность стержня в плоскости изгиба.

Площадь сечения, момент сопротивления, радиус инерции относительно оси Х:, расчетная длина стержня .

Определяем гибкость стержня:

.

Определяем коэффициент по формуле 1.14 [4]:

.

Определяем напряжения по формуле 1.13 [4]:

Проверяем устойчивость стержня в плоскости, перпендикулярной плоскости изгиба.

Радиус инерции относительно оси Y:, расчетная длина стержня .

Определяем гибкость стержня:

следовательно, увеличиваем ширину принятого сечения. Определяем требуемую ширину сечения стойки:

принимаем .

Определяем коэффициент продольного изгиба по приложению 2 [4], принимая .

Напряжения по формуле 1.3 [4]:

Конструирование и расчет закрепления стойки рамы в фундамент.

Прикрепление стоек к фундаменту производится при помощи металлических анкеров (рис. 8). Усилия от анкеров передаются на накладки и связи, соединяющие накладки со стойками. В качестве связей используем нагели.

Расчётное усилие в анкерных болтах определяем при наиневыгоднейшем загружении — при максимальной ветровой нагрузке и минимальной вертикальной нагрузке, которая уменьшает растягивающее усилие в анкерах. Минимальная вертикальная нагрузка возникает при загружении рамы каркаса вертикальной нагрузкой от собственного веса покрытия и несущей конструкции без учета действия снеговой нагрузки:

По растягивающему усилию определяем диаметр анкерных болтов и число двухсрезных болтов, прикрепляющих накладки к стенке.

Рис. 8 Конструкция закрепления стойки в фундамент По приложению 6 принимаем тяжи d = 12 мм с .

Требуемое число двухсрезных болтов диаметром d = 12 мм:

Конструктивно принимаем 8 шт.

Расставляем болты по два в ряд, соблюдая нормы расстановки:, , .

8. Защита деревянных конструкций от загнивания и при транспортировке, складировании и хранении

Конструктивные меры должны обеспечивать предохранение древесины от непосредственного увлажнения атмосферными осадками, грунтовыми и талыми водами, промерзания, капиллярного и конденсационного увлажнения.

Деревянные конструкции должны быть открытыми, хорошо проветриваемыми, по возможности доступными для осмотра и возобновления защитной обработки. Опорные части несущих элементов должны быть не только антисептированы, но и защищены теплои водоизоляционными материалами.

В отапливаемых зданиях и сооружениях несущие конструкции (балки, рамы, арки, фермы и др.) следует располагать так, чтобы они целиком находились либо в пределах отапливаемого помещения, либо вне него.

При эксплуатации несущих конструкций в условиях, где возможно выпадение конденсата на металлических поверхностях, следует принимать меры по предохранению древесины от увлажнения в местах контакта с металлом. Для этой цели до постановки металлических деталей на место поверхности, контактирующие с древесиной, рекомендуется промазывать мастикой («Изол», «Вента», «Лило», Гиссар-1 (ТУ 21−27−89−90), тиоколовой и др.) таким образом, чтобы при постановке на место детали плотно прилегали к древесине, а мастика, выдавливаясь, хорошо заполняла зазоры между металлами, древесиной, при постановке крепежных деталей (уголков, болтов, и т. п.) вместо мастик можно использовать прокладки из рулонных гидроизоляционных материалов (изола, стеклорубероида, гидроизола и др.), эластичные прокладки и уплотнительные ленты.

Для защиты несущих и ограждающих конструкций от увлажнения должны применяться лакокрасочные материалы, тиоколовые мастики и составы на основе эпоксидных смол. а) Лакокрасочные материалы

1. Перхлорвиниловые эмали представляют собой растворы перхлорвиниловой смолы в смеси летучих органических растворителей с добавлением других смол, пластификаторов и пигментов.

Эмали: ХВ-110, ХВ-124, ХВ-1100, ХВ-5159, лак — ХВ-784. Благодаря устойчивости к постоянному воздействию атмосферных факторов покрытия ХВ-110, ХВ-124 и ХВ-1100 рекомендуются для защиты конструкций на открытом воздухе и под навесом.

2. Пентафталевые эмали (ПФ-115, ПВ-133, лак ПФ-170, ПФ-171) могут применяться для защиты деревянных конструкций на открытом воздухе и под навесом, а также в помещении как декоративно-отделочные и влагозащитные.

3. Уретановые и уретаново-алкидные (эмаль УР-49, лак УР-294, эмаль УРФ-1128 уретаново-алкидная) — для защиты конструкций, эксплуатируемых как под навесом, так и на рткрытом воздухе.

4. Масляно-смоляные лаки (ГФ-166, ПФ-283) — для защиты конструкций под навесом и на открытом воздухе.

II Тиоколовые мастики (марок У-30, У032) — рекомендуются для защиты торцов деревянных конструкций.

III. Составы на основе эпоксидных смол применяются для защиты торцов несущих деревянных конструкций (на основе смолы К-153 или 115, на основе шпатлевки ЭН-0010).

Химическая защита древесины необходима в тех случаях, когда её увлажнение в процессе эксплуатации неизбежно или когда используемая древесина имеет влажность более 20% (но не более 25%).

Химическая защита заключается в пропитке их ядовитыми для грибов веществами — антисептиками. Они разделяются на две группы: водорастворимые (неорганические) и маслянистые (органические).

Водорастворимые: Фтористый натрий, кремнефтористый натрий, а также КФ А, ТФБА, ББ-32, ХМБ-444, МБ-1, ХМ-3324. Маслянистые: каменноугольные, сланцевые масла, древесный деготь и т. д.

При проектировании предпочтительнее выбирать конструкции прямоугольного массивного сечения, поскольку они имеют относительно малую поверхность, смываемую воздухом.

При использовании ферм и арок с металлическими нижними поясами и затяжками рекомендуется устраивать подвесной потолок или экран из несгораемых или трудносгораемых материалов.

Плиты покрытий следует опирать непосредственно на несущие конструкции без использования прогонов. Ограждающие конструкции, особенно плиты покрытий, в пожарном отношении более опасны, чем несущие конструкции, и требуют особого внимания к вопросам защиты от возгорания. Для повышения огнестойкости ограждающих конструкций рекомендуется использовать обшивки и утеплители из несгораемых или трудносгораемых материалов, а сами плита с гладким потолком.

Для защиты конструкций от возгорания рекомендуется применить пропиточные и окрасочные составы.

Для глубокой пропитки древесины рекомендуются водорастворимые огнезащитные составы МС 1:1, МС 3:7, ББ-11, МБ-1. Для поверхностной огнезащитной пропитки рекомендуются составы МС и ПП. Обработанная указанными составами древесина относится к группе трудновоспламеняемых материалов.

В качестве огнезащитных покрытий для защиты древесины от возгорания рекомендуются покрытия на основе перхлорвиниловой эмали ХВ-5169, фосфатное ОФП-9, вспучивающееся ВПД.

При транспортировке конструкций рекомендуется укрывать их водонепроницаемой бумагой или полиэтиленовой пленкой, можно применять и гидроизоляционные материалы (пакеты конструкций). На плиты покрытий под рулонную кровлю рекомендуется прямо на заводе-изготовителе наклеивать первый слой рулонного ковра.

Конструкции, как несущие, так и ограждающие, рекомендуется хранить на базовых складах и закрытых помещениях или под навесом, на перегрузочных и приобъектных складах под навесом или на открытых площадках.

Список использованной литературы

1. СНиП II-25−80 «Деревянные конструкции».

2. СНиП 2.01.07−85 «Нагрузки и воздействия».

3. Р. А. Галимшин Учебное пособие «Примеры расчета и проектирования конструкций из дерева и пластмасс», КГАСА, каф. Металлических конструкций и испытания сооружений, Казань, 2002.

4. В. Е. Шишкин «Примеры расчета конструкций из дерева и пластмасс», Москва, Стройиздат, 1974.