Проектирование несущих и ограждающих конструкций одноэтажного производственного здания

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) Специальность: «Промышленное и гражданское строительство»

Кафедра: «Конструкции из дерева и пластмасс»

Курсовая работа:

«Проектирование несущих и ограждающих конструкций одноэтажного производственного здания»

Выполнила: Воронина П.А.

ПГС-5−13

Руководитель: Линьков Н.В.

Москва 2011 год

1. Исходные данные

2. Расчет и конструирование ограждающей конструкции

2.1 Расчет рабочего настила

2.2 Расчет спаренного неразрезного прогона

2.3 Расчет стыка прогона

3. Расчет гнутоклееной трехшарнирной рамы

3.1 Геометрические размеры рамы

3.2 Определение нагрузок на раму

3.3 Статический расчет рамы

3.4 Подбор сечения и проверка напряжений

3.5 Геометрические характеристики принятого сечения

3.6 Проверка напряжений при сжатии с изгибом

3.7 Проверка устойчивости плоской формы деформирования рамы

4. Конструкции и расчет узлов

4.1 Опорный узел

4.2 Коньковый узел

1. Исходные данные

конструкция рама статический коньковый узел

2. Расчет и конструирование ограждающей конструкции

2.1 Расчет рабочего настила

Принимаем рабочие бруски 75×50мм II сорта согласно сортамента пиломатериалов. Расстояние между осями досок — 250 мм. Шаг прогонов — 1,4 м.

Сбор нагрузок на рабочий настил:

Рабочий настил укладывается по прогонам.

1) Равномерно распределенная нагрузка.

Где h0 и hн — ширина сечения обрешетки и настила соответственно;

b0 и bн — толщина сечения обрешетки и настила соответственно;

с0 — шаг обрешетки и настила соответственно;

гд — объемный вес древесины.

Расчетное значение снеговой нагрузки принимается по СНиП 2.01.07−85, а нормативное значение принимается умножением на коэффициент 0,7 расчетной.

2) Сосредоточенная нагрузка Рн=1кН. Коэффициент надежности по нагрузке гf=1,2.

Расчетное значение Рр =1,2кН.

При двойном настиле (рабочем и защитном, направленном под углом к волокнам) сосредоточенный груз следует распределять на 500 мм рабочего настила.

Полная нагрузка на 1 пог. метр ширины распределяется на 500 мм рабочего настила.

Полная нагрузка на 1 пог. метр ширины 0,5 м рабочего настила:

а) Пост. и врем.:

— нормативная кН/м;

— расчетная кН/м.

б) Пост.:

— расчетная кН/м.

Расчетная схема:

Расчет настила ведется как балки по двух-пролетной схеме при 2 сочетаниях нагрузок. Расстояние между опорами равно шагу прогонов L=1,4 м.

1) Пост. и временная (снеговая):

кН/м.

2) Пост. и сосредоточенная сила Р=1,2кН:

Расчет по первому предельному состоянию

Где М — максимальный изгибающий момент

W — момент сопротивления

— расчетное сопротивление древесины изгибу

=1,2 — коэффициент, учитывающий кратковременность действия сосредоточенной нагрузки, принимаемый для 2 сочетания нагрузок.

Первое сочетание нагрузок: ;

Второе сочетание нагрузок: кнм;

мі, где — число досок, укладываемых по ширине настила 0,5 метра.

Расчет по второму предельному состоянию

Проверка рабочего настила на прогиб выполняется только от первого сочетанию нагрузок.

f ? fи

где f — расчетный прогиб конструкции; fи — предельный прогиб.

Где

Е=10 000 000 кПа — модуль упругости древесины,

— предельный прогиб рабочего настила при шаге прогонов 1.4м по интерполяции значений табл.19 СНиП 2.01.07−85*:

при пролете ,

при пролете .

Запас из условия прочности составляет, но по требованию проветривания уменьшить высоту рабочего настила нельзя, следовательно оставляем принятое сечение.

2.2 Расчет спаренного неразрезного прогона

Согласно сортаменту пиломатериалов принимаем прогон из двух поставленных на ребре досок сечением 2×100×250мм с шагом 1,2 м.

Сбор нагрузок

Где h_o; h_н — ширина сечения обрешетки и настила соответственно

b_o; b_н — толщина сечения обрешетки и настила соответственно

c_o; c_н; - шаг обрешетки и настила соответственно г_д — объемный вес древесины.

Расчётное значение снеговой нагрузки принимается по СНиП 2.01.07−85*, а нормативное значение снеговой нагрузки принимается умножением на коэффициент 0.7 расчётной.

Полная нагрузка на 1 пог. м при шаге 1,2м:

— нормативная кН/м;

— расчетная кН/м

Расчетные характеристики материалов:

Сосна 2 сорт.

Расчетное сопротивление древесины изгибу МПа;

Модуль упругости древесины МПа.

Прогон выполняется из двух досок 100×250мм, поставленных на ребро; прогон работает на косой изгиб; относительно оси х прогон работает как цельный элемент, оси у — как составной из двух брусков.

b = 2×100мм h = 250 мм Геометрические характеристики сечения:

Расчет по первому предельному состоянию

Проверку прогона на прочность производим с учётом работы прогона на косой изгиб.

Расчетная нагрузка при

Расчет спаренных прогонов производят по равнопрогибной схеме прогона при х=0.2113.

Изгибающий момент над опорой равен, момент в пролёте равен .

Расчет ведём по максимальному моменту, тогда

Расчет по второму предельному состоянию.

Проверка прогона на прогиб.

Относительный прогиб прогона

где

— предельный прогиб прогона, полученный по табл.19 СНиП 2.01.07−85*:

Значения предельных прогибов по данной таблице:

при пролёте

Запас из условия прочности составляет

2.3 Расчет стыка прогона

Концы досок одного ряда прибивают гвоздями к доске другого ряда, не имеющего в данном месте стыка. Гвоздевой забой стыка рассчитываем на восприятие поперечной силы.

Количество гвоздей с каждой стороны стыка определяется исходя из того, что поперечная сила, приходящаяся на один ряд досок Q = М_оп/2х_гв, в то же время равна Q=n_гвТ_гв, откуда

где х_гв — расстояние от опоры до центра гвоздевого забоя, учитывая, что каждый гвоздь воспринимает одинаковое усилие, равное Т_гв.

Гвозди, скрепляющие доски прогона, приняты d_гв = 0.5 см, l_гв = 15 см (ГОСТ 283−41).

Рис. 3.7.

Допустимое усилие на один «срез» гвоздя определяем из следующих условий:

а) из условия изгиба гвоздя:

но не более ;

где

б) из условия смятия досок на глубине защемления гвоздя при: следовательно кН.

В расчет принимаем

Расстояние х_гв примем равным 0.2113l, т. е. х_гв = 0.21 136 = 1.27 м. Тогда количество гвоздей с каждой стороны стыка:

.

Требуемое значение количества гвоздей с каждой стороны стыка получим n_гв = 7 (должно быть четное количество гвоздей), принимаем 8 гвоздей.

Расстановку гвоздей производим согласно требованиям п. 5.21 СНиП II-25−80:

— расстояние вдоль волокон древесины от гвоздя до торца элемента во всех случаях следует принимать не менее S₁ = 15d = 15×0.5=7.5 см, принимаем 80 мм.

— расстояние между осями гвоздей поперек волокон древесины при прямой расстановке гвоздей следует принимать не менее S₂ = 4d = 40.5 = 2.0см, принимаем 30 мм.

— расстояние S₃ от крайнего ряда гвоздей до продольной кромки элемента следует принимать не менее 4d = 2.0 см; принимаем 20 мм.

Расставим гвозди на стыке досок прогона в два ряда:

Гвозди, соединяющие между собой доски спаренного прогона, ставятся конструктивно (без расчета) с шагом 50 см в разбежку.

3. Расчет гнутоклееной трехшарнирной рамы

3.1 Геометрические размеры рамы

Расчетный пролет рамы L=11,8 м. Угол наклона ригеля, ,,. Высота стойки от верха фундамента до точки пересечения касательных по осям стойки и ригеля Н = 3,3 м. Тогда высота рамы в коньке (высота по оси рамы):

м.

По условиям гнутья, толщина досок после фрезерования должна приниматься не более 1.6…2.5 см. принимаем доски толщиной после фрезеровки 1.9 см. радиус гнутой части принимаем равным м > м (где — толщина склеиваемых досок).

Угол в карнизной гнутой части между осями ригеля и стойки .

Так как максимальный изгибающий момент — в среднем сечении гнутой рамы, которое находиться на биссектрисе этого угла, получим:

;; ,; .

Центральный угол гнутой части рамы в градусах и радианах:

;

; ;

;; .

Длина гнутой части: м.

Длина стойки от опоры до начала гнутой части:

Длина прямолинейной части ригеля:

м.

Длина полурамы:

.

3.2 Определение нагрузок на раму

Нагрузка от покрытия: кН/м²;кН/м².

Собственный вес рамы определяем при К_св = 6 из выражения

кН/м²,

где К_св — коэффициент собственного веса рамы;

— нормативная снеговая нагрузка для 5 снегового района = 3,2×0,7=2,24кН/м^2.

Значения погонных нагрузок, действующих на раму (при шаге рам 4,5 метра).

3.3 Статический расчет рамы

Максимальные усилия в гнутой части рамы возникают при действии равномерно распределенной нагрузки q=24,69кН/м по пролету. Опорные реакции:

вертикальные:

кН;

горизонтальные (распор):

кН.

Максимальный изгибающий момент в раме возникает в центральном сечении 1−1 гнутой части. Координаты этой точки можно определить из следующих соотношений:

м;

м.

Определяем M и N в этом сечении:

кНм;

кНм.

3.4 Подбор сечения и проверка напряжений

В сечении 1−1 максимальный момент М_мах = 154,6кНм, продольная сила N = 151,9 кН/м. Расчетное сопротивление сжатию и изгибу сосны II сорта при ширине b = 19 см (принимаем доски шириной b = 20 см до фрезования):

МПа = 1.58 кН/см²,

где 15 МПа — расчетное сопротивление сжатию древесины сосны II сорта.

Требуемую высоту сечения можно определить приближенно по величине изгибающего момента, а наличие продольной силы учесть введением коэффициента 0.6:

м.

Принимаем высоту сечения несколько больше (на 5−7 слоев) требуемой, при этом высота сечения должно состоять из целого числа досок, т. е. принимаем 44 слоя толщиной после фрезования мм, тогда мм > 664,5 мм. Высоту сечения ригеля в коньке рамы принимаем из 14 слоев толщиной мм:

мм > мм.

Высоту сечения опоры рамы принимаем

мм > мм, что позволит не выполнять дополнительных проверок.

3.5 Геометрические характеристики принятого сечения

см²;

см³;

см⁴.

Коэффициенты условий работы к расчетным сопротивлениям принимаем:

— для условий эксплуатации индексируемых А₂;

;

(при толщине 19 мм) Радиус кривизны гнутой части по нейтральной оси

м.

Отношение, тогда по интерполяции определяем коэффициент :

для и ;

для .

3.6 Проверка напряжений при сжатии с изгибом

Для криволинейного участка рамы отношение .

Изгибающий момент, действующий в биссектрисном сечении 2−2 находится на расстоянии от расчетной оси, равном:

м Расчетное сопротивление древесины сосны II сорта:

сжатию и изгибу:

МПа;

растяжению: МПа,

где 9 МПа — расчетное сопротивление растяжению по СНиП.

Расчетная длина полурамы м, радиус инерции сечения см, тогда гибкость.

Для элементов переменного по высоте сечения коэффициент следует умножить на коэффициент К_жп = ,

где ;

если произведение, то принимаем

Изгибающий момент, определенный по деформированной схеме кНм,

где ,

усилие N₀ = Н усилие в коньковой шарнире.

Для криволинейного участка про отношении прочность следует проверять для наружной и внутренней кромок, вводя коэффициенты и к :

; .

Расчетный момент сопротивления с учетом влияния кривизны:

м³;

м³.

Напряжения по сжатой внутренней кромке

;

кН/смІ < кН/смІ.

Напряжение по растянутой наружной кромке

;(*)

кН/смІ < кН/смІ.

Недонапряжение по одной из проверок должно быть меньше 5%.

В моем случае недонапряжение составляет

? 5%.

Условие прочности выполняется.

Окончательно принимаем сечение рамы:

см;см; см.

3.7 Проверка устойчивости плоской формы деформирования рамы

Рама закреплена из плоскости:

— по наружной кромке прогонами по ригелю;

— по наружной кромке стойки стеновыми панелями.

Внутренняя кромка рамы не закреплена. Эпюра моментов в раме имеет вид:

Точку перегиба моментов, т. е. координаты точки с нулевым моментом, находим из уравнения моментов, приравнивая его к нулю:

;

;

Получаем корни уравнения и. Принимаем м, тогда

м.

Точка перегиба эпюры моментов соответствует координатам м от оси опоры, м.

Тогда расчетная длина растянутой зоны, имеющей закрепления по наружной кромке, равна:

м.

Расчетная длина сжатой зоны, наружной (раскрепленной) кромки ригеля (т.е. закреплений по растянутой кромке нет) равна:

м.

Таким образом, проверку устойчивости плоской формы деформирования производим для одного участка.

Проверка устойчивости производиться по формуле:

.

1) Для участка м находим максимальную высоту сечения из соотношения м;

;

;

.

м²; м³;

Показатель степени n = 2, т.к. на данном участке нет закреплений растянутой зоны.

Находим максимальный момент и соответствующую продольную силу на расчетной длине 2,23 м, при этом горизонтальная проекция этой длины будет равна м.

Максимальный момент будет в сечении с координатами x₁ и y₁:

м;

м;

кНм;

кН.

Момент по деформированной схеме ;, тогда; , т.к., принимаем ,

где .

Коэффициент для см:

тогда МПа.

Подставим ;кНм.

При расчете элементов переменного по высоте сечения, не имеющих закреплений из плоскости по растянутой кромке или при числе закреплений m < 4, коэффициенты и следует дополнительно умножать соответственно на коэффициенты и в плоскости yz.

;

.

Тогда; .

Подставим выражение в формулу для проверки устойчивости плоской формы деформирования:

.

т.е. общая устойчивость плоской формы деформирования полурамы обеспечена без учета наличия закреплений по наружному контуру.

4. Конструкции и расчет узлов

4.1 Опорный узел

кН; кН;м²;

МПа < МПа,

где МПа — расчетное сопротивление смятию (сжатию) вдоль волокон.

Требуемая высота диафрагмы (из расчета на смятие рамы поперек волокон от действия распора):

мм, где МПа.

Конструктивно принимаем высоту диафрагмы см.

Рассчитываем опорную вертикальную диафрагму, воспринимающую распор на изгиб, как балку, частично защемленную на опорах с учетом пластического перераспределения моментов:

кНсм.

Требуемый момент сопротивления вертикальной диафрагмы см³,

где кН/см² — расчетное сопротивлении стали по пределу текучести.

Этому моменту сопротивления должен быть равен момент сопротивления, определенный по формуле:

где — толщина диафрагмы.

Тогда см.

Принимаем см.

Боковые пластины принимаем той же толщины в запас прочности.

Предварительно принимаем следующие размеры опорной плиты, включая зазор «с» между боковыми пластинами и рамой по 0.5 см:

— длина опорной плиты мм;

— ширина мм.

Для крепления башмака к фундаменту принимаем анкерные болты диаметром 20 мм, имеющие геометрические характеристики: см²; см².

Анкерные болты работают на срез от действия распора.

Срезывающее усилие кН.

Напряжение среза определим по формуле

кН/см² кН/см²,

где — расчетное сопротивление срезу стали класса С235.

Условие прочности анкерных болтов выполняется.

4.2 Коньковый узел

Максимальная поперечная сила в коньковом узле возникает при несимметричной временной равномерно распределенной нагрузке на половине пролета, которая воспринимается парными накладками на болтах.

Поперечная сила в коньковом узле при несимметричной снеговой нагрузке:

кН, где S — снеговая нагрузка.

Определяем усилия, действующие на болты, присоединяющие накладки к поясу:

кН; кН,

где — расстояние между первым рядом болтов в узле;

— расстояние между вторым рядом болтов.

Принимаем отношение расстояний при расстановке нагелей, чтобы получить меньшие значения усилий.

Принимаем диаметр болтов 12 мм и толщину накладок 75 мм.

Несущую способность на один рабочий шов при направлении передаваемого усилия под углом 90⁰ к волокнам находим из условий:

— изгиба болта:

кН, но не более значения кН,

гдеа — толщина накладки;

d — диаметр болтов;

k_а — коэф., зависящий от диаметра болтов и величины угла между направлением усилия и направлением волокон древесины. (Табл.19 СНиП II-25−80)

— смятия крайних элементов-накладок при угле смятия 90:

кН;

— смятия среднего элемента-рамы при угле смятия :

кН,

где с — ширина среднего элемента рамы, равная b.

Минимальная несущая способность одного болта на один рабочий шов: кН, тогда необходимое кол-во болтов в ближайшем к узлу ряду

.

Принимаем 2 болта.

Кол-во болтов в дальнем от узла ряду .

Принимаем 1 болт.

Принимаем расстояние между болтами по правилам их расстановки: см, принимаем 24 см, тогда расстояние см.

Ширину накладки принимаем > 10d, что равно 160 мм, согласно сортаменту по ГОСТ 24 454–80* принимаем ширину накладки 175 мм, тогда расстояние от края накладки до болтов см,

расстояние между болтами см, принимаем 7,5 см.

Изгибающий момент в накладках: кНсм.

Момент инерции накладки, ослабленной двумя отверстиями диаметром 1,2 см:

см³,

где S₃ — расстояние между болтами.

Момент сопротивления накладки см³.

Напряжение в накладках:

кН/см² = 0,75 МПа < МПа,

где 2 — кол-во накладок;

МПа — расчетное сопротивление древесины изгибу.