Одноэтажное гражданское здание из древесины

1. Введение

2. Расчет клеефанерной панели.

2.1 Выбор конструктивных размеров панели.

2.2 Определение геометрических характеристик панели.

2.3 Сбор нагрузки на панель.

2.4 Проверочный расчёт прочности и жёсткости.

3. Расчет треугольной арки с затяжкой

3.1 Геометрический расчет

3.2 Сбор нагрузки на арку

3.3 Подбор сечения и проверка напряжений

4. Расчет стойки

4.1 Определение геометрических размеров

4.2 Сбор нагрузки на стойку

4.3 Проверочный расчет

4.4 Расчет прикрепления стойки к фундаменту

5. Защита деревянных конструкций от гниения и возгорания

6. Список используемых источников

1.

Введение

В данном курсовом проекте требуется запроектировать каркас деревянного здания общественного назначения. В качестве покрытия для здания и стенового ограждения выбраны клеефанерные панели. Их длина соответствует шагу несущих конструкций В=4,5 м. Основной несущей конструкцией деревянного покрытия здания принята деревянная арка пролетом 24,5 м из клееных элементов. Деревянные стойки поперечника здания приняты клеедощатыми высотой 6,1 м.

2. Расчет клеефанерной панели

2.1 Выбор конструктивных размеров панели Запроектируем утепленную клеефанерную панель покрытия. Шаг несущих конструкций — 4,5 м.

Принимаем верхнюю обшивку из фанеры марки ФСФ сорт В/ВВ толщиной в=8 мм. Нижнюю обшивку принимаем из фанеры марки ФСФ сорт В/ВВ толщиной н=6 мм. Продольные ребра деревянные: крайние толщиной bр=23 мм, средние толщиной bр=25 мм. Конструктивные ребра деревянные: крайние толщиной bр=23мм, средние толщиной bр=25 мм. Толщину утеплителя назначаем tyt=120 мм. Номинальные размеры плиты принимаем 4,51,5 м, конструктивные — 4,491,49 м.см. рис. 1 и рис.2

Высота h панели предварительно назначается 1/35 от пролёта.

hтр = 1/35•ln = 129 мм

hтр = tут + tвп + дв + дн

hтр р= 120+30+6+8=164 мм Тогда высота ребра hр=164−8-6=150 мм Подбираем hр по сортаменту:

175−7=168 мм > 150 мм подходит Уточняем hп: hп=168+8+6=182 мм Окончательно назначаем hп=182 мм.

Все геометрические характеристики представлены на рис. 1 и рис.2

рис. 1

рис. 2

2.2 Определение геометрических характеристик

1. Расчетная длина панели

2. Расчетная ширина панели т.к. =4500/489=9,2 > 6, то b0=0,9•b = 0,9•1,49 = 1,341 м

3. Приведенная площадь:

где ;

;

;

4. Статический момент относительно крайней грани нижней обшивки

5. Положение нейтральной оси

6. Момент инерции Собственным моментом инерции обшивок пренебрегаем ввиду малости.

;

=18 944,1 см4

2.3 Сбор нагрузок на панель, кН/м Таблица 1

Sн = 0,7 ce ct Sqb,

где се — коэффициент, учитывающий снос снега с покрытий зданий под действием ветра или иных факторов, принимаемый в соответствии с 10.9 [2];

ct — термический коэффициент, принимаемый в соответствии с 10.10[2];

— коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие, принимаемый в соответствии с 10.4[2];

ct= 1; =1; Sg =1,8кПа; се= 1;

Sн = 0,7 ce ct Sgb=0,7*1*1*1*1800*1.49=1877,4

Расчетная поперечная сила

Расчетный момент

рис.3

2.4 Проверочный расчёт прочности и жесткости

1. На устойчивость верхней обшивки

при > 50

Rф, с,=12•106 Па

<12 МПа Недонапряжение составляет 10,4% < 20%. Условие выполняется.

2. На растяжение нижней обшивки:

коэффициент, учитывающий снижение прочности при стыковании фанеры на «ус», 0,6; Rф.р.= 14•106 Па.

3,49 МПа < 8,4 МПа

3. Проверка на изгиб верхней обшивки,

4. На скалывание по нейтральному слою, Rскдр=1,8 МПа;

где

5. На скалывание по клеевому шву между шпонами фанеры в местах приклейки к ребрам

Rскф=0,8 МПа;

где

6. по прогибам

где Еф = 9•109 Па

f/l=<0,005

3. Расчет треугольной арки с затяжкой

3.1 Геометрический расчет Геометрический расчет арок заключается в определении размеров, углов наклона и их геометрических функций.

Расчетный пролет арки с учетом опирания:

= 24,5−0,3=24,2 м где =0,30(м) -длина опирания.

Расчетная высота арки:

=24,2/8=3,025 м Угол определяем из выражения

==0,25

Следовательно, угол =14є.

Длина полуарки:

==12,47 м Рис. 4. Расчетная схема арки Данную систему рассчитываем на сочетание нагрузок: постоянную и временную по всему пролету.

Значение нагрузок приводим в табличной форме.

3.2 Сбор нагрузки на арку, Н/м Таблица 2

В таблице:

1. Нагрузку от панели взять с табл. 1 (только постоянную)

=1380,32

==1585,66

2. Снеговая нагрузка принимается по заданию

Sн = 0,7 ce ct SqВ,

ct= 1; =1; Sg =1,8кПа; се= 1;

Sн = 0,7 ce ct SgВ=0,7*1*1*1*1800*4,5=5670

=5670*1,4=7938

3. Собственный вес арки принять по формуле

==766,0

==1034,72

где =4

При первом сочетании нагрузки (рис. 4) опорные реакции

=(10 558,4)*=129 340,4 Н;

Усилие в затяжке Н;

Максимальная поперечная сила в верхнем поясе у опоры

=(10 558,4)*24,5/4=64 670,2 Н.

Сжимающее усилие в верхнем поясе у опор

=261 887,6*0,97+64 670,2*0,242=269 681,2 Н.

Максимальный изгибающий момент от нагрузки по верхнему поясу Нм.

3.3 Подбор сечения и проверка напряжений

1. Из конструктивных соображений высота арки назначается не менее, т. е.

=

Принимаем ,

где — толщина доски по заданию (26 мм); - число досок.

2. Ширина сечения арки задается по сортаменту (приложение табл. 1) с учетом острожки с двух сторон.

b=175−15=160 мм Верхний пояс рассчитывается как сжато-изогнутый элемент, находящийся под действием внецентренно-приложенной продольной силы и изгибающего момента от распределенной поперечной нагрузки. Для уменьшения изгибающего момента в верхнем поясе продольное сжимающее усилие прикладывается с эксцентриситетом.

3. Геометрические характеристики поперечного сечения:

площадь =0,0998 м²

момент сопротивления =0,0104 м³

момент инерции =0,324 м³

статический момент

=0,0078 м³

радиус инерции

=0,18 м Эксцентриситет задаем конструктивно

=15,6 см Принимаю е=12 см Расчетный изгибающий момент

=198 052,5 — 269 681,2*0,12=165 690,8 Н*м Гибкость в плоскости конструкции

Коэффициент, учитывающий дополнительный момент

=

Rс=16*106Па-по приложению МУ

4. Расчет на прочность по нормальным напряжениям верхнего пояса арки производят по формуле:

Rcрасчетное сопротивление сжатию, Rc=16 106 Па (по (МУ));

mбкоэффициент, который зависит от высоты балки, mб=0,953(по (МУ));

mсл-коэффициент, который зависит от толщины доски, mсл=1,05(по (МУ))

mпкоэффициент, который зависит от породы древесины, mп=0,8(пихта);

24,5<12,8-Условие не выполняется. Увеличиваем сечение арки.

Принимаем:

b=175−15=160мм площадь

=0,133 м²

момент сопротивления

=0,0185 м³

момент инерции

=0,0077 м³

статический момент

=0,0138 м³

радиус инерции

=0,2404 м Эксцентриситет задаем конструктивно

=20,8 см Принимаю е=16 см Расчетный изгибающий момент

=198 052,5 — 269 681,2*0,16=154 903,5 Н*м Гибкость в плоскости конструкции

Коэффициент, учитывающий дополнительный момент

=

Rс=16*106Па-по приложению МУ Расчет на прочность по нормальным напряжениям верхнего пояса арки производят по формуле:

клеефанерный панель деревянный конструкция

11,48<11,99-Условие выполняется. (Недонапряжение 4,3%)

Недонапряжение допустимо до 20%.

5. Расчет на прочность по касательным напряжениям:

Rск=1,6*106Па-по приложению МУ

0,72*106<1,2*106-Условие выполняется, прочность по касательным напряжениям обеспечивается.

6. Проверку устойчивости плоской формы деформирования производим с учетом его раскрепления через две панели.

=2*1,5=3.0 (где — ширина клеефанерной панели).

Гибкость элемента из плоскости

где =0,289*0,160=0,046

Коэффициент устойчивости при изгибе

=

где =1,13

Устойчивость сжато-изгибаемого элемента определяется

.

Так как л<70, то

<1

7.Нижний пояс арки выполняем из круглой стали. Требуемая площадь затяжки:

.

Rу-240*106 — расчетное сопротивление стали.

=

По сортаменту выбираю диаметр затяжки d=40 мм (А=12,57 см2)

8. Для ограничения провисания затяжки предусмотрим подвески из круглой стали диаметром 12 мм.

Расстояние между подвесками не более 100 диаметров затяжки.

Следовательно, не более 40мм*100=4000мм=4,0 м По длине арки принято 7 подвесок с шагом 3060 (см. графическую часть).

4. Расчет стойки

4.1 Определение геометрических характеристик Рис.5

1. Высота сечения стойки hтр?.

hтр? 1/16*6,1=0,381 м Примем h= дn> 0,381

h=26*15=390 мм Рис.6

2. Ширина сечения стойки принимается по сортаменту с учетом острожки bтр?160мм, bтр? bарки =160 мм Принимаю b=160 мм

3. Площадь сечения

F= b *h=0.39*0.16=0.0624 м2

4. Момент сопротивления сечения

W= = (0,16*0,392)/6=0,406 м³

5. Статический момент

S== (0,16*0,392)/8=0,304 м³

6. Момент инерции сечения

Iу== (0,16*0,393)/12 = 0,79 м4

Iх== (0,163*0,39)/12= 0,133 м4

7. Радиус инерции сечения

rу ===0.113 м

rх ===0,046 м

4.2 Сбор нагрузки на стойку а) горизонтальные нагрузки Погонные ветровые нагрузки щ1= щ0кс1Вгf (Н/м) щ2= щ0кс2Вгf (Н/м), где ккоэффициент учитывающий значение ветрового давления по высоте (по приложению таблица 8 методических указаний) к=0,5

с1, с2- аэродинамические коэффициенты (при H<10 м принять с1=0,8, с2=-0,6)

гf=1,4- коэффициент надежности по нагрузке.

щ0- нормативное значение ветрового давления (по заданию) щ0=0,23 кПа=230 Па щ1= щ0кс1Вгf, щ2= щ0кс2Вгf

щ 15 = 230 Ч 0,5 Ч 0,8 Ч 4,5 Ч 1,4 = 579,6 Н/м щ 25 = 230 Ч 0,5 Ч 0,6 Ч 4,5 Ч 1,4 = 434,7 Н/м к6,1 = к5.000 + (к10.000- к5.000) Ч1,1/5 = 0,5 + (0,65 — 0,5) Ч1,1/5 =0,533

щ 16,1 = 230 Ч 0,533 Ч 0,8 Ч 4,5 Ч 1,4 = 617,9 Н/м щ 26,1 = 230 Ч 0,533 Ч 0,6 Ч 4,5 Ч 1,4 = 463,4 Н/м Сосредоточенные силы от ветровой нагрузки на уровне верха стойки

W1 = щ1*h0; W2 = щ2*h0

где h0-опорная часть балки h0=0 м. Значит W1 = 0 и W2 = 0

б) вертикальные нагрузки Нагрузки соберем в табличной форме:

Таблица 3

Сбор нагрузки на стойку (Н)

Примечание:

1. Нагрузка от панели покрытия определяется по таблице 1.

N=; N=

щгр==55,125 м²

N== (457,04/1,49)*55,125=16 908,9 Н

N== (525,03/1,49)*55,125=19 424,3 Н

2. Собственный вес арки определяется:

— верхний пояс =0,832*0,16*12,47*6500=10 790,04(=1,1)

— нижний пояс =9,87*24,5/2=120,91 (=1,05)

— стойки. =0,888*4,35=3,86 (=1,05)

Для получения расчетной нагрузки элементы арки умножаются на, соответствующие металлу или дереву.

3. Снеговая нагрузка определяется

Sн = 0,7 ce ct Sq,

ct= 1; =1; Sg =1,8кПа; се= 1;

Sн = 0,7 ce ct Sg=0,7*1*1*1*1800=1260

=1260*1,4=1764

=1260*55,125=69 457,5 Н

=1764*55,125=97 240,5 Н Неизвестная X

X===176,7 Н Изгибающий момент в основании стойки М===10 418,2 Нм Поперечная сила

Q= щ1H+ W1 -Х=617,9*6,1+0−176,7=3592,5 Н

4.3 Проверочный расчет

· В плоскости изгиба

1. Проверка по нормальным напряжениям у =?, где о-коэффициент, учитывающий дополнительный момент от продольной силы о=1-; цу=; лу=,

где мкоэффициент закрепления (принять 2,2) лу?120

лу==(6,1*2,2)/0,113=118,76

цу= =3000/118,762 =0,213

о=1-=1-(131 386,5/(0.0624*0,213*16*106))=0,382

у х ==131 386,5/0,0624+10 418,2/(0,406*0,382)=8,82 МПа

=(16*106*1*1,05*0,8)/1=13,44 МПа у = ?

8,82<13,44. — Условие выполняется.

Недонапряжение составляет 34,4% > 20%, но т.к. приняты минимальные размеры стойки и лу?120, то недонапряжение может составлять более 20%.

2. Проверка опорной части на скалывание при изгибе.

ф =?

ф ==(3592,5*0,304)/(0,79*0,16) =0,09 МПа

=(1,6*106*1,05*1*0,8)/1=1,34 МПа

0,09 МПа < 1,34 МПа Условие выполняется.

3.Проверка устойчивости плоской формы деформирования.

?1

где цМ=140; кф= 2,54,

цМ=140 =140=1,739

==0,859

0.859<1

Условие выполняется.

· Из плоскости изгиба

4. Проверка на устойчивость у х =?,

где цх=1−0,8(), если лх<70, лх=,

где l0-расстояние между связями по длине стойки. При отсутствии связей между стойками за расчетную длину принимается полная длина стойки Н.

лх==1,5*2/0,046=65.22

цх=1−0,8()=1−0,8=0,66

у х == =3,19 МПа

==13,44 МПа у х =3,19 < 13,44,

Условие выполняется.

4.4 Расчет прикрепления стойки к фундаменту Выпишем нагрузки из таблицы сборов нагрузки на стойку:

N= 34 146 Н N=131 386,5 Н

1. Напряжения растяжения ур=,

где оR=1-=1-=0,839

ур== =2,51 МПа

2. Напряжение сжатия ус=

ос= 1-=1-=0,382

ус== =8,82 МПа

3. Размеры сжатой и растянутой зон

hc= ==0,304 м

hр = hhc=0,39−0,304=0,086 м

4. Размеры, а и с:

а===0,245 м с===0,094 м рис. 8

5. Максимальное усилие растяжения в анкерах.

Nр===27 161 Н=27,161 кН

6. Требуемая площадь анкерных болтов:

F=,

где mосл= 0,8 -коэффициент, учитывающий ослабление резьбой;

mк = 0.8 -коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений в резьбе;

mн= 0,85-коэффициент, учитывающий неравномерность работы двух анкеров.

F===0,104 м²

7. Требуемый диаметр анкера:

d?==0.0115 м=11,5 мм

d?11,5 мм Принимаю dа=12 мм (по сортаменту).

8. Для принятого диаметра анкера потребуется отверстие в траверсе

d= d+2мм=12+2 =14 мм

9. Ширина траверсы (уголка) должна быть не менее 3d, т. е.3d?b?tн.

В данном курсовом проекте bтр 314=42 мм.

Принимаю по сортаменту равнобокий уголок (приложение таблица 10 методических указаний) b=50 мм рис.9

10. Выпишем исходные данные уголка 50×50х5

b=50мм Ix= 11,2 см4

t=5мм Fбр=4,8 см²

z0=1,42 см

11. Величина распределительной нагрузки на участке ширины стойки b

q===169 756,3 Н/м

12. Изгибающий момент МУ=,

где l=b+da=0,16+0,012=0,172 м МУ===627,8 Н*м

13. Требуемый момент сопротивления:

Wтр===2,62*10−6 м3

14.Для предварительно принятого уголка проверяем условие

Wмин=> Wтр

Wмин===313*10=3,13*10м3

3,13*10>2,62*10−6

Условие выполняется.

Следовательно, подбор большего уголка не требуется.

15. Нормальные напряжения у =?,

где гс=0,9 -коэффициент условной работы.

у ===200,6 МПа

=(240*106*0,9)/1=216 МПа

200,6 МПа? 216 МПа Условие выполняется.

16. Прогиб траверсы

=?

Е=2,1*1011Па — модуль упругости стали;

===0,48 м

=1/120=0,0083 м

0,48 м < 0,0083 м

<

Условие выполняется.

17.Выберем диаметр горизонтальных болтов из условия их расстановки поперек волокон в два ряда по ширине стойки.

b?S3+S2+S3,

где S2 и S3- расстояние между осями болтов.

Если принимаем болты металлические, то S2=3d; S3=3,5d; d ?.

d==160/9.5=16,84 мм Принимаем диаметр горизонтальных болтов d=16 мм Найдем S2=3d=3*16=48мм

S3=3,5d=3,5*16=56мм Сделаем проверку b? S3+S2+S3,

b?56+48+56=160мм

160 мм = 160 мм.

18. Наименьшая несущая способность болта:

а) По условию смятия крайнего элемента Та==0,8*а*d=0,8*10*1,6= 12,8 кН б) по условию изгиба Ти==1,8d2+0,02a2 =1,8*1,62+0,02*102=6,61 кН

19. Количество горизонтальных болтов

n ?,

где Т minнаименьшая несущая способность из п. 18 в данном случае Т min=6,61 кН

mколичество срезов m=2

==2,05

Следовательно, принимаем число болтов n=4.

20. Длина накладки

l н? S1np

где S1 — расстояние между осями болтов вдоль волок. Если болты металлические S1?7d;

np — число расстояний S1 по длине накладки.

S1=7*0,016=0,112 м

l н? 0,112*3=0,336 м принимаем lн = 336 мм

5. Защита деревянных конструкций от гниения и возгорания

1. Защита деревянных конструкций от возгорания.

При использовании деревянных конструкций следует соблюдать мероприятия по их защите от возгорания. С этой целью не рекомендуется применять конструкции из неклеенной древесины в условиях длительного нагрева, если температура окружающего воздуха превышает 500С, а для конструкций из клееной древесины 350С.

Деревянные конструкции должны быть разделены на части противопожарными преградами из несгораемых материалов. Деревянные конструкции не должны иметь сообщающихся полостей с тягой воздуха, по которым может распространятся пламя, недоступное для тушения. В противопожарном отношении предпочтительнее деревянные конструкции массивного прямоугольного сечения с закруглениями, имеющие большие пределы огнестойкости, чем дощатые или клеефанерные. Опасны в пожарном отношении металлические накладки, болты и другие детали соединительных и опорных узлов деревянных элементов, т.к. они, являясь проводниками тепла, снижают предел огнестойкости деревянных конструкций, поэтому металлические узлы и соединения необходимо тщательно защищать огнезащитными покрытиями.

К химическим мерам защиты деревянных конструкций от возгорания относится применение пропитки огнестойкими защитными средствами (антипиренов — веществ, способных при нагревании разлагаться с выделением большого количества негорючих газов, либо, увеличиваясь в объеме, создавать защитный слой, препятствующий возгоранию древесины и распространению по ней огня) или нанесение огнезащитных красок.

Способы защиты древесины химическими средствами выбирают в зависимости от условий эксплуатации конструкций, вида химических средств защиты и требуемой глубины проникновения химических веществ, что определяется сроком службы конструкций. При выборе способа защиты большое значение имеет влажность (?12−15%) древесины и ее плотность. Основные способы химической защиты древесины это:

Поверхностная обработка — производится кистью или краскораспылителями в один или 3 слоя с интервалами после каждого слоя для лучшего впитывания раствора. Этот способ используют для защиты готовых изделий. Толщина защитного слоя 0,3−1 мм.

Панельный способ — пропитку проводят непрерывным пропусканием пропиточного раствора по поверхности объекта защиты, плотно покрытого пропиточной панелью.

Вымачивание материала в ваннах с защитным раствором. Для увеличения глубины пропитки применяют предварительный прогрев материала и затем осуществляют выдержку его в ванне с раствором антисептика при нормальной температуре. Глубина пропитки — до 10 мм.

Способ вакуум — атмосферное давление — вакуум. Применяют для сокращения сроков пропитки.

Автоклавный способ под давлением выше атмосферного применяют для глубокой пропитки. Этот способ пропитки позволяет ввести в древесину максимальное количество пропиточного состава на наибольшую глубину, и часто применяют для глубокой пропитки древесины антипиренами.

2. Защита деревянных конструкций от гниения.

Суть конструкционных мероприятий по борьбе с гниением сводится к тому, чтобы обеспечить воздушно-сухое состояние деревянных элементов здания, что достигается устройством гидро-, пароизоляционных слоев, препятствующих увлажнению древесины грунтовой, атмосферной или конденсационной влагой, или обеспечением надлежащего режима для удаления из древесины влаги.

Конструкционные мероприятия:

Предотвращение увлажнения атмосферными осадками увеличением свеса крыш, устройством достаточно большого разрыва между поверхностью грунта и нижней отметкой расположения деревянных элементов здания для предотвращения увлажнения брызгами падающей сверху воды.

Удаление влаги из сырых помещений. Обеспечение достаточно хорошей вентиляции.

По поверхности грунта рекомендуется устраивать гидроизоляцию.

Защита от увлажнения капиллярной влагой, поступающей из соприкасающихся с ней частей здания, устройством гидроизоляции.

Борьба с образованием конденсата — элементы должны иметь определенный порядок расположения слоев и толщину.

Предотвращение увлажнения древесины бытовой влагой, сводящееся к содержанию в надлежащем состоянии систем водоснабжения и вентиляции.

Правильный подбор породы древесины для изготовления соответствующих деревянных конструкций.

6.

Список используемых источников

СП 64.13 330.2011 Свод правил. Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25−80. Москва 2011.-70 с.

СП 20.13 330.2011 Свод правил. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07.-85*.- Москва 2011.-76 с.

СП 16.13 330.2011 Свод правил. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23−81*.- Москва 2011.-143 с.

Методические указания к курсовому проекту на тему «Каркас одноэтажного здания из древесины». — Вологда: ВоГТУ, 2010.-35 с.

Конструкции из дерева и пластмасс: учеб. пособие/ Г. Н. Зубарев, Ф. А. Бойтемиров, В. М. Головина и др.; под ред. Ю. Н. Хромца. — М.: Аcademia, 2004. — 303 с.

Расчет конструкций из дерева и пластмасс: учеб. пособие/ Ф. А. Бойтемиров, В. М. Головина, Э. М. Улицкая; под ред. Ф. А. Бойтемирова. — М.: Аcademia, 2007. — 160 с.