Курсовая работа: Проектирование одноэтажного каркасного здания из деревянных конструкций
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 3000x6000 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 |
1 2 3 4 |
Постоянные нагрузки –верхняя
обшивка (алюминий)
–утеплитель
(пенопласт
–обрамление (фанерный швеллер) –нижняя
обшивка (сталь)
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 |
=100
кг/м3)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:
выбор геометрической схемы;
подсчет нагрузок и выявление характера их действия;
определение усилий в сечениях и составление сводной таблицы усилий.
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
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 [10].
Вариант 1. При равномерно распределенной снеговой нагрузке интенсивностью
(
=1,6–коэффициент
надежности
по нагрузке,
согласно [10] при
).
Вариант 2. При распределенной по треугольнику треугольной нагрузке с максимальной ординатой
3. Ветровая нагрузка определяется по [10].
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 | 5 | 3.10 | 9.45 | 19.20 | 9.60 | 0.49 | 2.19 | 2.19 | 0.98 |
Конструктивный расчет арки
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 200x50
мм.). Тогда размеры
сечения будут
=1176x192
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:
где
-центральный
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.
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 90x90x7 (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 шарнира- сталь 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 200x50
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
Конструкции из дерева и пластмасс. 5-е изд./ Под ред. Г.Г.Карлсена и Ю.В.Слицкоухова. –М.: Стройиздат, 1985.-542 с.
Гринь И.М. Проектирование и расчет деревянных конструкций: Справочник. –Киев: Будивельник, 1988.
Иванов В.А. и др. Конструкции из дерева и пластмасс. Примеры расчета и конструирования. 3-е изд. –Киев: Вища школа, 1981.
Индустриальные деревянные конструкции: Уч.пос. для вузов. Под ред. Слицкоухова Ю.В. –М.: Стройиздат, 1991.-251 с.
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.
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.
Хрулев В.М. Деревянные конструкции и детали: Справочник строителя. –М.: Стройиздат, 1983. –287 с.
СНиП П-25-80. Нормы проектирования. Деревянные конструкции. –М.: Стройиздат, 1982.-65 с.
Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП П-25-80). –М.: Стройиздат, 1986. –215 с.
СНиП 2.01-07-85. Нагрузки и воздействия. –М.: Стройиздат, 1988.