Одноэтажное гражданское здание из древесины

Одноэтажное гражданское здание из древесины

Содержание

1. Введение

. Расчет клеефанерной панели.

.1 Выбор конструктивных размеров панели.

.2 Определение геометрических характеристик панели.

.3 Сбор нагрузки на панель.

.4 Проверочный расчёт прочности и жёсткости.

. Расчет треугольной арки с затяжкой

.1 Геометрический расчет

.2 Сбор нагрузки на арку

.3 Подбор сечения и проверка напряжений

. Расчет стойки

.1 Определение геометрических размеров

.2 Сбор нагрузки на стойку

.3 Проверочный расчет

.4 Расчет прикрепления стойки к фундаменту

. Защита деревянных конструкций от гниения и возгорания

. 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

.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 dв=8 мм. Нижнюю обшивку принимаем из фанеры марки ФСФ сорт В/ВВ толщиной dн=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 4,5´1,5 м, конструктивные - 4,49´1,49м.[см. рис.1 и рис.2]

Высота h панели предварительно назначается 1/35 от пролёта.

1)   hтр = 1/35∙ln = 129 мм

2)   hтр = tут + tвп + δв + δн

тр р= 120+30+6+8=164 мм

Тогда высота ребра hр=164-8-6=150 мм

Подбираем hр по сортаменту:

-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

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

.        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.

;

=18944,1 см4

.3 Сбор нагрузок на панель, кН/м

Таблица 1

н = 0,7 ce ct m Sqb,

где се - коэффициент, учитывающий снос снега с покрытий зданий под действием ветра или иных факторов, принимаемый в соответствии с 10.9 <> [2];- термический коэффициент, принимаемый в соответствии с 10.10 <>[2];

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

ct= 1; m =1; Sg =1,8кПа; се= 1;

н = 0,7 ce ct m 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 ф,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.

,49 МПа < 8,4 МПа

. Проверка на изгиб верхней обшивки,

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

где

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

, Rскф=0,8 МПа;

где

. по прогибам

,

где Еф = 9∙109 Па/l=<0,005

3.     
Расчет треугольной арки с затяжкой

.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

 1. 2.         Постоянная От панели покрытия Собственный вес арки   1380,32

766,0

1585,66

  3.           Всего: Временная Снеговая          2146,32

5670

,42620,38

В таблице:

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

=1380,32

==1585,66

. Снеговая нагрузка  принимается по заданию

Sн = 0,7 ce ct m SqВ,

ct= 1; m =1; Sg =1,8кПа; се= 1;н = 0,7 ce ct m SgВ=0,7*1*1*1*1800*4,5=5670

=5670*1,4=7938

. Собственный вес арки принять по формуле

==766,0

==1034,72

где =4

При первом сочетании нагрузки (рис. 4) опорные реакции

=(10558,4)*=129340,4 Н;

Усилие в затяжке

Н;

Максимальная поперечная сила в верхнем поясе у опоры

=(10558,4)*24,5/4=64670,2 Н.

Сжимающее усилие в верхнем поясе у опор

=261887,6*0,97+64670,2*0,242=269681,2 Н.

Максимальный изгибающий момент от нагрузки по верхнему поясу

Н×м.

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.

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

. Геометрические характеристики поперечного сечения:

площадь =0,0998 м2

момент сопротивления =0,0104 м3

момент инерции =0,00324 м3

статический момент

=0,0078 м3

радиус инерции

=0,18 м

Эксцентриситет задаем конструктивно

=15,6 см

Принимаю е=12 см

Расчетный изгибающий момент

=198052,5 - 269681,2*0,12=165690,8 Н*м

Гибкость в плоскости конструкции

Коэффициент, учитывающий дополнительный момент

=

с=16*106Па-по приложению МУ

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

,

Rc- расчетное сопротивление сжатию, Rc=16×106 Па ( по (МУ));б -коэффициент, который зависит от высоты балки, mб=0,953(по (МУ));сл-коэффициент, который зависит от толщины доски, mсл=1,05(по (МУ))п -коэффициент, который зависит от породы древесины, mп=0,8(пихта);

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

Принимаем:

,

=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

=198052,5 - 269681,2*0,16=154903,5 Н*м

Гибкость в плоскости конструкции

Коэффициент, учитывающий дополнительный момент

=

с=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%.

. Расчет на прочность по касательным напряжениям:

ск=1,6*106Па-по приложению МУ

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

. 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 λ<70, то

<1

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

.у-240*106 - расчетное сопротивление стали.

=

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

. 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

.1 Определение геометрических характеристик

Рис.5

1. Высота сечения стойки hтр≥.тр ≥ 1/16*6,1=0,381 м

Примем h= δ×n> 0,381=26*15=390 мм

Рис.6

. Ширина сечения стойки принимается по сортаменту с учетом острожки bтр≥160мм, bтр ≥ bарки =160 мм

Принимаю b=160 мм

. Площадь сечения

= b *h=0.39*0.16=0.0624 м2

. Момент сопротивления сечения

W= = (0,16*0,392)/6=0,00406 м3

. Статический момент

== (0,16*0,392)/8=0,00304 м3

. Момент инерции сечения

у== (0,16*0,393)/12 = 0,00079 м4х== (0,163*0,39)/12= 0,000133 м4

. Радиус инерции сечения

у ===0.113 мх ===0,046 м

.2 Сбор нагрузки на стойку

а) горизонтальные нагрузки

Погонные ветровые нагрузки

ω1= ω0кс1Вγf (Н/м)

ω2= ω0кс2Вγf (Н/м), где

к- коэффициент 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)

γf=1,4- коэффициент надежности по нагрузке.

ω0- нормативное значение ветрового давления (по заданию)

ω0=0,23 кПа=230 Па

ω1= ω0кс1Вγf , ω2= ω0кс2Вγf

ω 15 = 230 Ч 0,5 Ч 0,8 Ч 4,5 Ч 1,4 = 579,6 Н/м

ω 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

ω 16,1 = 230 Ч 0,533 Ч 0,8 Ч 4,5 Ч 1,4 = 617,9 Н/м

ω 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

1 = ω1*h0 ; W2 = ω2*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:

. Нагрузка от панели покрытия определяется по таблице 1.

N=; N=

ωгр==55,125 м2== (457,04/1,49)*55,125=16908,9 Н== (525,03/1,49)*55,125=19424,3 Н

2. Собственный вес арки  определяется:

верхний пояс =0,832*0,16*12,47*6500=10790,04(=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.

. Снеговая нагрузка определяется

н = 0,7 ce ct m Sq,

ct= 1; m =1; Sg =1,8кПа; се= 1;н = 0,7 ce ct m Sg=0,7*1*1*1*1800=1260

=1260*1,4=1764

=1260*55,125=69457,5 Н

=1764*55,125=97240,5 Н

===176,7 Н

Изгибающий момент в основании стойки

М===10418,2 Нм

Поперечная сила

= ω1H+ W1 -Х=617,9*6,1+0-176,7=3592,5 Н

4.3 Проверочный расчет

·  В плоскости изгиба

. Проверка по нормальным напряжениям

σ =  ≤ ,где

ξ-коэффициент, учитывающий дополнительный момент от продольной силы

ξ=1-; φу=; λу=,

где μ- коэффициент закрепления (принять 2,2) λу≤120

λу==(6,1*2,2)/0,113=118,76

φу= =3000/118,762 =0,213

ξ=1-=1-(131386,5/(0.0624*0,213*16*106))=0,382

σ х ==131386,5/0,0624+10418,2/(0,00406*0,382)=8,82 МПа

=(16*106*1*1,05*0,8)/1=13,44 МПа

σ =  ≤

,82<13,44. - Условие выполняется.

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

. Проверка опорной части на скалывание при изгибе.

τ =≤

τ ==(3592,5*0,00304)/(0,00079*0,16) =0,09 МПа

=(1,6*106*1,05*1*0,8)/1=1,34 МПа

,09 МПа < 1,34 МПа

Условие выполняется.

.Проверка устойчивости плоской формы деформирования.

≤1

где φМ=140 ; кф= 2,54,

φМ=140 =140=1,739

==0,859

.859<1

Условие выполняется.

·  Из плоскости изгиба

. Проверка на устойчивость

σ х =≤,

где φх=1-0,8(), если λх<70, λх=,

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

λх==1,5*2/0,046=65.22

φх=1-0,8()=1-0,8=0,66

σ х == =3,19 МПа

==13,44 МПа

σ х =3,19 < 13,44,

Условие выполняется.

4.4 Расчет прикрепления стойки к фундаменту

Выпишем нагрузки из таблицы сборов нагрузки на стойку:

N= 34146 Н N=131386,5 Н

. Напряжения растяжения

σр=,

где ξR=1-=1-=0,839

σр== =2,51 МПа

. Напряжение сжатия

σс=

ξс= 1-=1-=0,382

σс== =8,82 МПа

. Размеры сжатой и растянутой зон

= ==0,304 мр = h- hc=0,39-0,304=0,086 м

. Размеры а и с:

а===0,245 м

с===0,094 м

рис. 8

. Максимальное усилие растяжения в анкерах.

Nр===27161 Н=27,161 кН

. Требуемая площадь анкерных болтов:

F=,

где mосл= 0,8 -коэффициент, учитывающий ослабление резьбой;к = 0.8 -коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений в резьбе;н= 0,85-коэффициент, учитывающий неравномерность работы двух анкеров.

===0,000104 м2

. Требуемый диаметр анкера:

≥==0.0115 м=11,5 мм

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

. Для принятого диаметра анкера потребуется отверстие в траверсе

= d+2мм=12+2 =14 мм

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

В данном курсовом проекте bтр ³ 3×14=42 мм.

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

рис.9

. Выпишем исходные данные уголка 50х50х5

=50мм Ix= 11,2 см4=5мм Fбр=4,8 см2

=1,42 см

11. Величина распределительной нагрузки на участке ширины стойки b

q===169756,3 Н/м

. Изгибающий момент

МУ=,

где l=b+da=0,16+0,012=0,172 м

МУ===627,8 Н*м

. Требуемый момент сопротивления:тр===2,62*10-6 м3

.Для предварительно принятого уголка проверяем условие

мин=> Wтрмин===313*10=3,13*10м3

,13*10>2,62*10-6

Условие выполняется.

Следовательно, подбор большего уголка не требуется.

. Нормальные напряжения

σ =≤,

где γс=0,9 -коэффициент условной работы.

σ ===200,6 МПа

=(240*106*0,9)/1=216 МПа

,6 МПа ≤ 216 МПа

Условие выполняется.

. Прогиб траверсы

=≤

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

===0,00048 м

=1/120=0,0083 м

,00048 м < 0,0083 м

<

Условие выполняется.

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

≥S3+S2+S3,

где S2 и S3- расстояние между осями болтов.

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

==160/9.5=16,84 мм

Принимаем диаметр горизонтальных болтов d=16 мм

Найдем S2=3d=3*16=48мм

=3,5d=3,5*16=56мм

Сделаем проверку b≥S3+S2+S3,≥56+48+56=160мм

мм = 160мм.

. 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

. Количество горизонтальных болтов

≥,

где Т min- наименьшая несущая способность из п.18 в данном случае

Т min=6,61 кНколичество срезов m=2

==2,05

Следовательно, принимаем число болтов n=4.

. Длина накладки

н ≥ S1np

где S1 - расстояние между осями болтов вдоль волок. Если болты металлические S1≥7d;- число расстояний S1 по длине накладки.=7*0,016=0,112 мн ≥ 0,112*3=0,336 м

принимаем lн = 336 мм

5. Защита деревянных конструкций от гниения и возгорания

. 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:

a) 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.

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

c) 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.

d)   Способ вакуум - атмосферное давление - вакуум. Применяют для сокращения сроков пропитки.

e) 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:

a) 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.

b)   Удаление влаги из сырых помещений. Обеспечение достаточно хорошей вентиляции.

c) По поверхности грунта рекомендуется устраивать гидроизоляцию.

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

e) Борьба с образованием конденсата - элементы должны иметь определенный порядок расположения слоев и толщину.

f)   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

1. СП 64.13330.2011 Свод правил. Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25-80.- Москва 2011.-70 с.

2. СП 20.13330.2011 Свод правил. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07.-85*.- Москва 2011.-76 с.

3. СП 16.13330.2011 Свод правил. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*.- Москва 2011.-143 с.

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

5. 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.

6. 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.