Расчет и проектирование 2-х пролетного одноэтажного здания

 

Расчет и проектирование 2-х пролетного одноэтажного здания

1. Расчет несущей ограждающей конструкции

Исходные данные. Размер панели в плане 1.9×5.98 м; обшивки из водостойкой фанеры марки ФСФ сорта В/ВВ по ГОСТ 3916-69*; ребра из сосновых досок второго сорта. Клей марки ФРФ-50. Утеплитель - минеральные плиты толщиной 8 см на синтетическом связующем по ГОСТ 9573-82*. Плотность утеплителя 0,40 кН/м³. Пароизоляция из полиэтиленовой пленки толщиной 0,2 мм. Воздушная прослойка над утеплителем - вентилируемая вдоль панели. Кровля утепленная из рулонных материалов (рубероид) трехслойная. Первый слой рубероида наклеивают на заводе с применением мастик повышенной теплостойкости и механизированной прокатки слоя. Оставшиеся два слоя наклеивают после установки панели. Район строительства IV по снеговой нагрузке.

Компоновка рабочего сечения панели. Ширину панели делают равной ширине фанерного листа с учетом обрезки кромок для их выравнивания bп=1900 мм. Толщину фанеры принимаем 8 мм. Направление волокон наружных шпонов фанеры, как в верхней, так и в нижней обшивки панели должно быть продольным для обеспечения стыкования листов фанеры «на ус» и для лучшего использования прочности фанеры.

Для дощатого каркаса, связывающего верхние и нижние фанерные обшивки в монолитную склеенную коробчатую панель, применены черновые заготовки по рекомендуемому сортаменту пиломатериалов (применительно к ГОСТ 24454-80*Е) сечением 50×175 мм. После сушки (до 12% влажности) и четырехстороннего фрезерования черновых заготовок на склейку идут чистые доски сечением 42×167 мм. Расчетный пролет панели мм. Высота панели принята мм, что составляет 18,3/592=1/32 пролета и соответствует рекомендациям, согласно которым высота панели соответствует 1/30 - 1/35 пролета.

Каркас панели состоит из 5 продольных ребер. Шаг ребер принимают из расчета верхней фанерной обшивки на местный изгиб поперек волокон от сосредоточенной силы кН как балки, заделанной по концам (у ребер) шириной 1000 мм. Расстояние между ребрами в осях мм.

Изгибающий момент в обшивке кН·мм.

Момент сопротивления обшивки шириной 1000 мм:

мм³

Напряжение от изгиба сосредоточенной силой

МПа < 6,50·1,2=7.8 МПа

Для придания каркасу жесткости продольные ребра соединены на клею с поперечными ребрами, расположенными по торцам и посередине панели. Продольные кромки панелей при установке стыкуются с помощью специально устроенного шпунта из трапециевидных брусков, приклеенных к крайним продольным ребрам. Полученное таким образом соединение в шпунт предотвращает вертикальный сдвиг в стыке и разницу в прогибах кромок, смежных панелей даже под действием сосредоточенной нагрузки, приложенной к краю одной из панелей.

Нагрузки на панель. Панели предназначены для укладки по несущим деревянным конструкциям. Подсчет нормативной и расчетной нагрузок приведен в таблице 1.

Таблица 1. Подсчет нагрузки на 1 м² панели

НагрузкаНормативная, кН/м²Коэффициент надежности по нагрузкеРасчетная, кН/м²Кровля рубероидная трехслойная Фанера марки ФСФ 2·0,008·7 Каркас из сосновой древесины: - продольные ребра с учетом брусков продольных стыков 6·0,167·0,042·5/1,88 - поперечные ребра 3·0,092·0,042·5/5.98 Утеплитель - минераловатные плиты 0,08·0,4 Пароизоляция0,12 0,112 0,112 0,010 0,032 0,021,2 1,1 1,1 1,1 1,2 1,20,148 0,123 0,123 0,011 0,038 0,022Постоянная0,406-0,461Временная (снеговая)1.51,62.4Полная2,312-3.326

Коэффициент надежности по снеговой нагрузке в соответствии с СНиП 2.01.07-85 для отношения нормативного веса покрытия к весу снегового покрова 0,406/0,7=0,58<0.8 равен . Полная нагрузка на 1 м панели:

нормативная кН/м2;

расчетная Кн/м2.

Расчетные характеристики материалов. Для фанеры марки ФСФ сорта В/ВВ семислойной толщиной 8 мм по СНиП II-25-80 имеет:

расчетное сопротивление растяжению МПа;

расчетное сопротивление сжатию МПа;

расчетное сопротивление скалыванию МПа;

модуль упругости МПа;

расчетное сопротивление изгибу МПа.

Для древесины ребер по СНиП II-25-80 имеет модуль упругости МПа.

Геометрические характеристики сечения панели. Приведенная расчетная ширина фанерных обшивок согласно СНиП II-25-80

м

Геометрические характеристики поперечного сечения клеефанерной панели приводим к фанерной обшивке. Приведенный момент инерции поперечного сечения панели

Приведенный момент сопротивления поперечного сечения панели

Проверка панели на прочность. Максимальный изгибающий момент в середине пролета

кН·м

Напряжения в растянутой обшивке

где 0,6 - коэффициент, учитывающий снижение расчетного сопротивления фанеры в растянутом стыке.

Расчет на устойчивость сжатой обшивки производится по формуле

При расстоянии между продольными ребрами 0,449 м и толщине фанеры 0,008 м

тогда

Напряжение в сжатой обшивке

Расчет на скалывание по клеевому слою фанерной обшивки (в пределах ширины продольных ребер) производят по формуле

Поперечная сила равна опорной реакции панели

кН

Приведенный статический момент верхней фанерной обшивки относительно нейтральной оси

Расчетная ширина клеевого соединения м

Касательные напряжения будут

Проверка панели на прогиб. Относительный прогиб панели

где 1/250 - предельный прогиб в панелях покрытия согласно СНиП II-25-80.

2. Расчет клееной балки постоянного сечения

2.1 Компоновка сечения

Проектируем клееную балку постоянного сечения с однорядной арматурой в нижнем поясе пролетом 8000 мм, склеиваемая из досок (по сортаменту пиломатериалов ГОСТ 8486-86*Е) сечением . Армирование балки производим для повышения ее несущей способности арматурой класса A-? ? в пределе 1-3% площади сечения. Арматура укладывается в профрезерованные пазы квадратного профиля со стороной, равной диаметру стержня. В пазы заливают эпоксидный клей с наполнителем из металлических опилок, а затем производят запрессовку.

Дощатые заготовки после фрезерования будут иметь толщину .

По заданию для балок высота сечения должна быть , что составляет доски толщиной .

Принимаем 13 досок, что дает высоту сечения . Ширина сечения с учетом припуска на фрезерование будет равна . При этих размерах балки выполнятся условие устойчивости.

Армированную балку рассчитываем как упругое тело с учетом работы древесины в сжатой и растянутой зонах. В расчет вводится полное приведенное к древесине сечение элемента. Расчеты производим как для сосны II сорта ().

2.2 Определение нагрузок

Нагрузка от веса покрытия:

нормативная ;

расчетная .

Нагрузка от собственного веса балки:

нормативная ;

расчетная .

Полная нагрузка на балку:

нормативная ;

расчетная .

2.3 Геометрические характеристики сечения балки

Расчетный пролет балки .

Момент инерции поперечного сечения клееной балки.

Приведенный к древесине момент инерции армированной балки прямоугольного сечения при однорядной арматуре:

где - коэффициент привидения арматуры к древесине,

- доля армирования

Момент сопротивления сечения

.

2.4 Проверка балки на прочность

Изгибающий момент

.

Поперечная сила

.

Проверка прочности принятого сечения:

где коэффициент, учитывающий абсолютную высоту деревянного (клееного) элемента;

коэффициент условия работы на температурно-влажностный режим эксплуатации;

коэффициент для клееной древесины, учитывающий толщину склеиваемых досок;

Проверка устойчивости балки: устанавливаем связи в середине пролета

,

где ,

где коэффициент, зависящий от формы эпюры изгибающих моментов на участке .

Проверка прочности клеевого шва на скалывание:

.

2.5 Проверка балки на прогиб

Относительный прогиб панели

где предельный прогиб для клееных деревянных балок согласно СНиП II-25-80.

Площадь арматуры:

Принимаем 2 (Аs=9,82 см2)

3. Расчет брусчатой треугольной фермы

3.1 Исходные данные

Ферма проектируется треугольной на лобовых врубках с металлическим нижним поясом пролетом 20 м, при шаге ферм 6 м. Геометрические схема показана на рисунке.

Для элементов фермы используем следующие материалы:

верхний пояс и раскосы - деревянный брус по ГОСТ 8486-86*Е;

нижний пояс - стальные горячекатаные равнополочные уголки по ГОСТ 8509-93;

стойки - горячекатаная стержневая арматура постоянного профиля А-I по ГОСТ 5781-82.

Расчетный пролет фермы .

Высота фермы согласно заданию должна быть в пределах , принимаем .

Геометрические размеры элементов фермы показаны на расчетной схеме фермы.

3.2 Нагрузки на ферму

Определение нормативной нагрузки от собственного веса фермы:

.

Нагрузки сводим в таблицу 2.

Таблица 2

НагрузкаНормативная, кН/м²Коэффициент надежности по нагрузкеРасчетная, кН/м²Постоянная - от веса покрытия (см. таблицу 1) - от собственного веса фермы 0,406 0,157 - 1,1 0,461 0,172Постоянная0,563-0,633Временная (снеговая)1,51,62,4Итого: полная2,0633,033

Узловые расчетные нагрузки по верхнему поясу фермы

сочетание (снег по всей длине фермы):

;

;

сочетание (снег с одной стороны фермы):

;

;

;

;

.

3.3 Определение усилий в элементах фермы

Для вычисления продольных усилий в элементах фермы использовались ПК «Лира». В результате получили значения усилий, которые сводим в таблицу 3.

НагрузкаПродольные усилия N, кНот полной нагрузки (собственный вес + снег по всему пролету)от полной нагрузки (собственный вес + снег на половине пролета)максимальноеВерхний пояс7-247,968-200,897-247,9688-197,284-150,215-197,2849-147,341-100,271-147,341Нижний пояс6227,404184,237227,4045227,404184,237227,4044180,922137,757180,922Стойки130001419,34319,34319,3431577,94753,04677,947Раскосы18-50,346-50,346-50,34619-60,138-60,138-60,138Опорные реакции118,644-118,644118,644-118,644

3.4 Проектирование сечений элементов фермы

ограждающий балка сечение здание

3.4.1 Верхний пояс

Максимальное расчетное усилие в верхнем поясе . Верхний пояс рассчитываем как сжато-изогнутый стержень находящийся под действием внецентренно приложенной нормальной силы и изгибающего момента от поперечной нагрузки панели.

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

.

Для уменьшения изгибающего момента в панели фермы создаем внецентренное положение нормальной силы, в результате чего в узлах верхнего пояса возникают разгружающие отрицательные моменты. Значение расчетного эксцентриситета вычисляем из условия равенства опорных и пролетных моментов в опорной панели верхнего пояса фермы:

Разгружающий момент для опорной панели будет

.

Принимаем сечение верхнего пояса из бруса .

Расчетная длина верхнего пояса ; площадь поперечного сечения ; момент сопротивления сечения

.

Расчетные характеристики древесины 2-го сорта принимаем по табл. 3 СНиП II-25-80 «Деревянные конструкции» следующие характеристики:

расчетное сопротивление сжатию ;

расчетное сопротивление изгибу .

Расчет на прочность сжато-изгибаемых элементов проводим по формуле:

,

где изгибающий момент от действия поперечных и продольных нагрузок;

,

где коэффициент, учитывающий дополнительный момент от продольной силы вследствие прогиба элемента, определяемый по формуле;

;

;

.

Расчет на устойчивость плоской формы деформирования сжато-изогнутых элементов производим по формуле:

Принятое сечение верхнего пояса удовлетворяет проверкам на прочность и устойчивость.

3.4.2 Нижний пояс

Максимальное расчетное растягивающие усилие в нижнем поясе . Для уголков применяем сталь С245 с расчетным сопротивлением

.

Требуемая площадь сечения нижнего пояса

.

Принимаем сечение из двух стальных уголков L c .

3.4.3 Раскосы

Раскос 18: ;

Принимаем сечение из бруса :.

.

Раскос 19: ;

Принимаем сечение из бруса :.

.

3.4.4 Стойки

Стойка 14: .

Принимаем стержень из стальной арматуры класса А-I с нарезкой на концах. Расчетное сопротивление . Коэффициент учитывающий концентрацию напряжений в нарезке равен 0,8.

Требуемая площадь сечения стержня:

Принимаем стержень с .

Стойка 15: .

Принимаем стержень из стальной арматуры класса А-I с нарезкой на концах. Расчетное сопротивление. Коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений в нарезке равен 0,8.

Требуемая площадь сечения стержня:

Принимаем стержень с .

Стойка 13: .

Принимаем конструктивно с .

3.5 Расчет узлов фермы

Узел 1

Опорный узел выполняется в виде сварного башмака, состоящего из опорного листа, двух фасонок и диафрагмы между ними. Верхний пояс упирается в швеллер и крепиться к фасонкам болтами (конструктивно толщину фасонок принимаем 8 мм), а нижний - сварными швами.

В узле швеллер работает как балка на двух опорах с равномерно распределенной нагрузкой от торцевой поверхности верхнего пояса.

Усилие

а) Расчет приварки уголков нижнего пояса. Определим длину сварного шва одного уголка по формуле:

где - коэффициент, учитывающий ручной метод сварки,

- толщина углового шва.

Принимаем длину швов: по обушку

по перу

б) Определяем длину шва для прикрепления упорного швеллера к фасонкам:

,

Конструктивно принимаем упорный швеллер №24 длиной 20 см, равной ширине верхнего пояса.

Фактическая длина швов по внутренней стороне стенки и по наружним сторонам полок равна:

тогда требуемый момент сопротивления будет равен

в) Проверяем упорный швеллер из условия смятия в месте упора верхнего пояса:

,

где - ширина бруска верхнего пояса,

- высота бруска верхнего пояса.

г) Определяем размеры опорной плиты башмака. Горизонтальную плиту рассчитываем на изгиб под действием напряжений смятия ее основания на однопролетную балку с двумя консолями. Опорная реакция фермы , - расчетное сопротивление стали.

Принимаем из условия размещения болтов:

Принимаем

Размеры опорной плиты в плане составляют:

ширина:

длина:

д) Определяем толщину опорной плиты:

,

де , тогда

Реактивное давление основания на опорный лист составит:

Момент в консольной части плиты

Момент в средней части плиты

Принимаем наибольший изгибающий момент

Определяем необходимую толщину опорной плиты:

Узел 2

Расчет врубки

Принимаем глубину врубки конструктивно из расчета лобовой врубки в узле 4.

Расчет шайбы под тяжем

Размеры шайбы принимаем конструктивно толщиной 8 мм с размерами 8x8 см, такие как при расчете узла 4.

Узел 3

Крепление стойки к нижнему поясу производиться при помощи швеллера.

Принимаем конструктивно швеллер №10 из расчета узла 5.

Узел 4

Расчет врубки

Определим требуемую глубину врубки из условия прочности на смятие под .

Требуемая глубина врубки раскоса в пояс:

Принимаем глубину врубки .

,

,

Из условия прочности на скалывание найдем длину площадки скалывания:

Так как длина плоскости скалывания получилась меньше , то принятая величина соответствует нормам:

Расчет шайбы под тяжем

Определяем размеры шайбы в плане из условия смятия древесины верхнего пояса

Необходимая площадь смятия верхнего пояса фермы:

Шайбу проектируем квадратного сечения в плане, тогда

Толщину шайбы определяем из условия ее изгиба, для этого определим максимальный изгибающий момент возникающий в пластине по формуле

.

Окончательно принимаем шайбу толщиной 8 мм с размерами 8x8 см.

В узле 4 верхнего пояса на расстоянии 58 см, что больше .От центра узла устраиваем стык брусьев верхнего пояса простым лобовым упором и перекрываем парными накладками сечением 10x22,5 см, скрепленными с поясом болтами . Принимаем по 4 болта с каждой стороны и расстанавливаем их в 2 ряда, соблюдая нормы расстановки:

Принимаем:

Узел 5

Угол примыкания раскоса к нижнему поясу в промежуточном узле ,

В узле опирания раскоса устанавливаем колодку, которую и рассчитываем на смятие:

, ширина колодки 21,6 см - расстояние между уголками.

С противоположной стороны колодки привариваем упор из уголка 63x5 и рассчитываем длину приварки к нижнему поясу.

Длина сварного шва

Крепление стойки к нижнему поясу производиться при помощи швеллера.

Изгибающий момент рассчитываем как для однопролетной балки, нагруженной в центре усилием .

;

Принимаем швеллер №10.

На расстоянии 40 см от узла осуществляем стык уголков при помощи накладок, привариваемых к уголкам. В качестве накладок принимаем уголки с площадью сечения больше , но меньших размеров. Принимаем уголки 50x6 c . Длину уголков определяем в зависимости от длины сварного шва: (из расчета приварки уголка к фасонке). Принимаем длину уголков с учетом приварки

Узел 6

Коньковый узел решаем лобовым упором с перекрытием стыка парными деревянными накладками толщиной равной половине верхнего пояса - . Крепление растянутой стойки к коньковому узлу производим при помощи шайбы.

Расчет шайбы под тяжем

Определяем размеры шайбы в плане из условия смятия древесины верхнего пояса

Необходимая площадь смятия верхнего пояса фермы:

Шайбу проектируем квадратного сечения в плане, тогда

Толщину шайбы определяем из условия ее изгиба, для этого определим максимальный изгибающий момент возникающий в пластине по формуле

.

Окончательно принимаем шайбу толщиной 14 мм с размерами 15x15 см. Накладки ставим конструктивно сечением 10x20 см. С каждой стороны стыка ставим по 2 болта .

Узел 7

Угол примыкания раскоса к нижнему поясу в центральном узле ,

В узле опирания раскоса устанавливаем колодку, которую и рассчитываем на смятие:

, ширина колодки 21,6 см - расстояние между уголками.

Минимальная длина колодки определяется из условия ее прочности на скалывание вдоль волокон ().

С противоположной стороны колодки привариваем упор из уголка 63x5.

Шайбу для крепления тяжа принимаем из швеллера.

Изгибающий момент рассчитываем как для однопролетной балки, нагруженной в центре усилием .

;

Принимаем швеллер №20.

4. Конструкционные и химические меры защиты деревянных конструкций от гниения и возгорания

4.1 Защита деревянных конструкций от гниения

Конструкционные меры защиты - обеспечение воздушно-сухого состояния 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. В данном случае в клеефанерных панелях покрытия в качестве пароизоляции применяем полиэтиленовую пленку толщиной 2 мм. Полиэтиленовая пленка приклеивается на нижнюю фанерную обшивку с внутренней стороны панели. Для предотвращения увлажнения атмосферными осадками по верху панели покрытия наклеиваем 3 слоя рубероида (1-й слой наклеивается в заводских условиях с применением мастик повышенной теплостойкости и механизированной прокатки слоя, 2 последующих слоя - после монтажа панелей покрытия).

Для предотвращения увлажнения атмосферными осадками предусмотрено увеличение свеса крыши и надлежащего отвода воды с крыши.

По поверхности грунта устраивают гидроизоляцию, для предотвращения попадания лишней влаги в помещение.

Под опорными частями деревянных балок и ферм (т.е. в местах соприкосновения дерева с кирпичной кладкой) предусматриваются гидроизоляционные прокладки из двух слоев рубероида. Под балками устраивается деревянная подушка.

В опорных узлах балки и фермы со стороны наружных стен необходимо утеплить пенопластами, при этом оставить зазор >5 см между торцом балки и утеплителем.

Необходимо поддерживать влажностный режим (не более 20% влажности воздуха), а также температура в помещениях не должна сильно колебаться.

Чтобы не допустить излишнего увлажнения деревянных конструкций необходимо обеспечить достаточно хорошую вентиляцию помещения.

Химические меры защиты. Для деревянных элементов фермы, а также для брусчатых ребер панелей покрытия в качестве пропитки применяют способ горячехолодных ванн. Сущность этого способа заключается в том, что при нагреве в древесине возникает избыточное давление, в результате чего паровоздушная смесь вытесняется из поверхностных слоев материала. При охлаждении в древесине (из-за конденсации пара) возникает разрежение, и раствор в результате разности давлений всасывается в древесину. Деревянные элементы прогревают в ваннах водорастворимыми антисептиками при температуре 90-950С в течении от 30 мин до 10 ч, затем древесину помещают в ванну с раствором при температуре 200С.

Максимальная глубина пропитки при этом может достигать 10 мм.

Для брусчатых ребер панелей покрытия для пропитки использовать антисептик ХМБ-444 (ТУ 65-14-23-75): - трудновымываемый антисептик.

Деревянные элементы фермы пропитывать химическим составом ББ-32 (ГОСТ 23787.6-79), который является легковымываемым, но не вызывает коррозии металла и безопасен для людей и животных.

Этот же антисептик (ББ-32) использовать для пропитки клееных деревянных балок, связевых распорок и деревянных подушек под балки. Данные деревянные элементы подвергаются поверхностной обработке при помощи кисти или валика антисептиком, нагретым до температуры 60-900С. Нагревать раствор можно 2 раза через 2 часа. На долговечность ЛКП оказывает влияние и толщина. С увеличением толщины покрытия возрастает вероятность разрушения пленки вследствие роста внутренних напряжений при старении покрытия, которые суммируются с циклическими деформациями. Поэтому толщину покрытия назначают в пре- I делах 60-120 мкм, что составляет примерный расход 200-400 г./м2 поверхности.

Деревянные элементы в местах соприкосновения с металлом обмазываются антисептической пастой.

Все металлические элементы окрасить масляной краской за 2 раза.

Не следует обрабатывать деревянные торцы балок и ферм в опорных узлах обмазочными составами.

4.2 Защита деревянных конструкций от возгорания

Конструкционные меры защиты. По пожарной опасности данное здание относится к классу К3.

При использовании деревянных конструкций следует соблюдать мероприятия по их защите от возгорания. С этой целью в помещениях с клееными деревянными балками не следует длительное время поддерживать температуру внутреннего воздуха выше 350С, а в помещениях с деревянными фермами покрытий выше 500С.

Деревянные конструкции не должны иметь сообщающихся полостей с тягой воздуха, по которым может распространяться пламя, недоступное для тушения.

Химические меры защиты. Металлические накладки, болты и другие детали соединительных и опорных узлов деревянных элементов являются проводниками тепла, снижают предел огнестойкости деревянных конструкций, поэтому металлические узлы и соединения необходимо тщательно защищать огнезащитными покрытиями. В качестве огнезащитного покрытия применять фосфатное огнезащитное покрытие ОФП-9 по ГОСТ 23790-79. Данный антипирен не влияет на прочность древесины и не вызывает коррозии металла. Состав наносится на сухую поверхность древесины любым инструментом. Рассматриваемый материал может быть прозрачным, подчеркивающим природную красоту текстуры древесины, или окрашенным в различные цвета. При контакте с открытым пламенем покрытие вспучивается и превращается в пористую массу, защищающую древесину от нагрева.

Все деревянные элементы балок, ферм и плит покрытия следует обрабатывать фосфатным огнезащитным покрытием ОФП-9 при помощи кисти или краскораспылителя в два слоя с интервалом после нанесения первого слоя для лучшего впитывания раствора. Толщина полученного слоя 0,3-1 мм. Расход состава 0,5-0,7 кг/м2. Не следует обрабатывать деревянные торцы балок и ферм в опорных узлах обмазочными составами.

Список литературы

1. СНиП II-25-80 Деревянные конструкции.

. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия.

. СНиП II-23-81. Стальные конструкции.

. Ю.В. Слицкоухов. Конструкции из дерева и пластмасс. - М.: Стройиздат, 1986.

. В.М. Вдовин, В.Н. Карпов. Сборник задач и практические методы их решения по курсу «Конструкции из дерева и пластмасс». - М.: ИАВС, 1999.

. Георгиевский О.В. Справочное пособие по строительному черчению. - М.: Изд-во АСВ, 2003.

Расчет и проектирование 2-х пролетного одноэтажного здания 1. Расчет несущей ограждающей конструк

Больше работ по теме: