Проектирование одноэтажного каркасного здания из деревянных конструкций
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 200×50 мм.). Тогда размеры сечения будут =1176×192 мм. Древесина принята первого сорта, для которой. Считаем, что… Читать ещё >
Проектирование одноэтажного каркасного здания из деревянных конструкций (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
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 3000×6000 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 | ||
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.
Вариант 1. При равномерно распределенной снеговой нагрузке интенсивностью
(=1,6-коэффициент надежности по нагрузке, согласно при).
Вариант 2. При распределенной по треугольнику треугольной нагрузке с максимальной ординатой
3. Ветровая нагрузка определяется по.
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 | 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 200×50 мм.). Тогда размеры сечения будут =1176×192 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:
гдецентральный 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 90×90×7 (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 шарнирасталь 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 200×50 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.