Рекомендации и примеры по проектированию деревянных конструкций 4 страница

В узле сходятся два элемента верхнего пояса, опорный и растянутый раскосы. Конструируем узел простым лобовым упором опорного раскоса и верхнего пояса. В точке пересечения осей устанавливаем центровой болт. Этим болтом стягиваются также стальные полосы узла растянутого раскоса и брусья опорной напели верхнего пояса. В узле опорный раскос соединен с двухветвевым элементом опорной напели стяжным болтом диаметром 16 мм. Концы ветвей опорной панели соединяются с верхним поясом двумя болтами диаметром 16 мм.

Принимаем центровой болт диаметром 20 мм. Угол наклона растянутого раскоса к продольным волокнам древесины верхнего пояса равен:

α₂ = φ₁ + φ₃ = 14° + 34°16' = 48°16',

где φ₃ = arctg (1,42/2,084) = 34°16';

k_α = 0,72; = 0,848.

Несущая способность одного условного среза болта диаметром 20 мм:

по смятию древесины

T₁ = 0,5cdk_α = 0,5×15×2,0×0,72 = 10,8 кН;

по изгибу болта

T₂ = 2,5d² = 2,5×2²×0,818 = 8,48 кН.

Расчетное усилие на один срез болта

D₂/2 = 13,92/2 = 6,96 кН < T₂ = 8,48 кН.

Стальные полосы крепятся к растянутому раскосу гвоздями диаметром 5 мм, длиной 70 мм. Несущая способность одного гвоздя на изгиб. Требуемое количество гвоздей

n_гв = Д₂/T = 13,9/1 = 13,9 шт.

Принимаем 16 гвоздей, по 4 гвоздя в 2 ряда с двух сторон раскоса.

Проверяем прочность полосы 50 ´ 3 мм, ослабленной отверстием под центровой болт, на растяжение:

F_нт = (50 - 1×21)3 = 87 мм²;

Д₂/(2F_нт) = 13,92×10³/(2×87) = 80 < R_yγ_с/γ_n = 245×0,9/0,95 = 232 МПа.

Прогиб фермы

Максимальный прогиб по нижнему поясу фермы от расчетной нагрузки A_в = 82 мм. Отношение нормативных нагрузок на 1 мм² покрытия с учетом собственного веса фермы к расчетным составляет (1,293 + 0,128)/(1,913 + 0,141) = 0,692, соответственно максимальный прогиб фермы от нормативных нагрузок Δ^н_в = 82×0,692 = 57 мм, что составляет l/314 < l/300.

Общий вид запроектированной брусчатой фермы показан на рис. 39.

Пример 2. Запроектировать металлодеревянную треугольную четырехнапельную ферму пролетом 18 м, шагом 3 м для утепленного покрытия деревообрабатывающего цеха (рис. 40).

Верхний пояс составного сечения из сосновых брусьев 2-го и 3-го сорта на пластинчатых нагелях. Нижний пояс из арматурной стали класса А-III. По ферме укладываются утепленные плиты покрытия шириной 150 см, кровля из волнистых асбестоцементных листов. Район строительства г. Архангельск. Условия эксплуатации А-3 по табл. 1 СНиП II-25-80.

Рис. 39. Общий вид брусчатой фермы

Рис. 40. Металлодеревянная треугольная ферма с верхним поясом составного сечения из брусьев на пластинчатых нагелях

а) геометрическая схема; б) общий вид фермы

Таблица 25

№ пп.	Элементы фермы	Усилие, кН	№ пп.	Элементы фермы	Усилие, кН
	Опорная панель верхнего пояса	-192,7		Нижний пояс	+182,45
	Раскосы	-51,25
	Коньковая панель верхнего пояса	-127,1		Стойка	+53,3

Высота фермы в середине h₀ = 2,96 м, что составляет l/6. При уклоне кровли 1:3 угол наклона верхнего пояса

α = 18°25'; sin α = 0,3162; cos α = 0,9487.

Собственный вес покрытия g₁ = 0,467 кН/м²,

g^н₁ = g₁/cos α = 0,467/0,948 = 0,49 кН/м² горизонтальной проекции.

Собственный вес фермы

g^н_св = (g₁ + P_с)/[1000/(K_свl) - 1] = (0,467 + 1,5)/[1000/(4×17,8) - 1] ≈ 0,15 кН/м².

Нормативная снеговая нагрузка для IV района на 1 м² горизонтальной проекции P^н_с = 1,5 кН/м²; при g^н/P^н_с = (0,467 + 0,15)/1,5 = 0,41 коэффициент перегрузки равен 1,6.

Суммарная нагрузка на 1 м горизонтальной проекции фермы:

нормативная

q^н = (g^н₁ + g^н_св + P^н_с)3 = (0,49 + 0,15 + 1,5)3 = 6,42 кН/м;

расчетная

q_р = [(g^н₁ + g^н_св)n₁ + P^н_сn_с]3 = [(0,49 + 0,15)1,1 + 1,5×1,6]3 = 9,31 кН/м.

Расчетные усилия в стрежнях фермы при нагружении повсему пролету даны в табл. 25.

Опорные реакции от расчетной нагрузки

A = B = q_рl/2 = 9,31×17,8/2 = 82,86 кН.

Сечение опорной панели верхнего пояса конструируем составным из трех брусьев шириной b = 15 см и общей высотой h = 3 ´ 15 = 45 см, соединенных между собой березовыми пластинчатыми нагелями, причем крайние брусья сечения из второго, а средний из третьего сорта древесины сосны. Опорный узел проектируем так, чтобы он не выходил за габариты сечения колонны. Усилие в опорной панели верхнего пояса передается центрально.

Расчетный изгибающий момент от внеузловой распределенной нагрузки в середине опорной панели определяем как в однопролетной балке

M = q_рl²_нcos² α/8 = 9,31×5,87²×0,9487²/8 = 36,1 кН×м.

Площадь поперечного сечения элемента

F_расч = bh = 150×450 = 6,75×10⁴ мм²;

момент сопротивления

W = bh²/6 = 150×450²/6 = 5,06×10⁶ мм³;

расчетные сопротивления

R_и = R_с = R_см = 15m_в/γ_n = 15×0,9/0,95 = 14,2 МПа;

для древесины 2-го сорта. Аналогично для древесины 3-го сорта - 10,4 МПа:

λ₀ = l₀/r = 587/(0,289×45) = 45;

λ = μλ₀ = 1,18×45 = 53,

где

= = 1,18 СНиП II-25-80, формула (12);

K_св = 1,4/(δb_пл) = 1,4/(1,2×15) = 0,08;

φ = A/λ² = 3000/53² = 1,06;

ξ = 1 - N/(φR_сF_бр) = 1 - 192,7×10³/(1,06×14,2×6,75×10⁴) = 0,81;

M_д = M/ξ = 36,1/0,81 = 44,6 кН×м;

W_расч = WK_ω = 5,06×10⁶×0,85 = 4,3×10⁶ мм³.

Проверяем максимальное напряжение в опорной панели по формуле (28) СНиП II-25-80

N/F_расч + M_д/W_расч = 192,7×10³/6,75×10⁴ + 44,6×10⁶/4,3×10⁶ = 13,4 < R_с = 14,2 МПа.

Для коньковой панели принимаем сечение из двух брусьев 3-го сорта общей высотой h = 30 см и шириной b = 15 см.

F_бр = 150×300 = 4,5×10⁴ мм²;

изгибающий момент от нагрузки в середине пролета

M_q = q_рl²_пcos² α/8 = 9,31×351²×0,948²/8 = 12,9 кН×м;

разгружающий момент от продольной силы в середине пролета коньковой панели

M_с = Ne = 127,1×0,0375 = 4,77 кН×м;

максимальный изгибающий момент M_x = 8,6 кН×м с учетом разгружающего момента, имеющего треугольную форму, не совпадает с серединой пролета, а находится на расстоянии 1,97 м от левой опоры:

F_бр = 150×300 = 4,5×10⁴ мм²; W = 150×300²/6 = 2,25×10⁶ мм³;

λ₀ = l₀/r = 351/(0,289×30) = 40,5; λ = μλ₀ = 1,17×40,5 = 47,4;

μ определяем по СНиП II-25-80, формула (12)

φ = 3000/47,4² = 1,34;

ξ = 1 - N/(φR_сF_бр) = 1 - 127,1×10³/(1,34×10,4×4,5×10⁴) = 0,797;

N/F_расч + M_x/(ξWK_ω) = 127,1×10³/4,5×10⁴ + 8,6×10⁶/(0,797×2,25×10⁶×0,85) = 8,46 < R_с = 10,4 МПа.

Элементам опорной и коньковой панелей придается выгиб, равный 1/200l_п.

Брусья верхнего пояса соединяем сквозными березовыми пластинками толщиной 12 мм и длиной 58 мм. Шаг между пластинками S = 10δ = 120 мм. Несущая способность одного нагеля (СНиП II-25-80, п. 5.29):

T = 0,75b_пл = 0,75×15 = 11,25 кН.

Требуемое количество пластинок в опорной панели определяем по формуле (45)

n_пл = 1,2MS_бр/(ξI_брT) + kN/T = 1,2×36,1×10⁶×4/(0,81×3×450×11,25×10³) + 0,2×192,7×10³/11,25×10³ = 17,2 шт.,

принимаем

п_пл = 0,4l/S = 0,4×5870/120 = 19 > 17,2 шт.

Здесь значение k = 0,2 принято по условиям упора верхнего конца опорной панели только средним брусом.

Для коньковой панели требуемое количество пластинок n_пл = 12 шт. определяем аналогично из условия упора в опорную панель только нижнего бруса.

Нижний растянутый пояс фермы проектируем из арматурной стали периодического профиля класса А-III в виде одиночного тяжа.

Сечение тяжа определяем по формуле

F = Nγ_n/R_р = 182,45×10³×0,95/375 = 463 мм²,

принимаем тяж диаметром 25 мм, F = 491 > 463 мм².

На конце одиночного тяжа для соединения его с парными тяжами опорного узла фермы приварен наконечник с резьбой из той же стали. Требуемая площадь нетто наконечника составляет 579 мм², принимаем его диаметр 32 мм с площадью сечения нетто 640 мм².

Наконечники привариваем к тяжу с помощью накладок из арматурной стали А-III.

Требуемая площадь сечения парных тяжей в башмаке опорного узла составляет 545 мм², принимаем 2 тяжа диаметром 20 мм с площадью сечения 628 мм².

В целях унификации сжатые раскосы выполняем из брусьев 3-го сорта сечением 150 ´ 150 мм:

l₀ = 382, см, r_x = r_y = 0,289h = 4,35 см,

λ = l_о/r_x = 382/4,35 = 88, φ = A/λ² = 3000/88² = 0,386.

Проверяем раскос на устойчивость:

N = 51,25 кН; F_расч = 150² = 2,25×10⁴ мм²;

N/(φF_расч) = 51,25×10³/(2,25×10⁴×0,386) = 5,9 < R_с = 10,4 МПа.

Напряжения смятия верхнего пояса фермы от торца раскоса

σ_см = N/F_см = 51,25×10³/2,25×10⁴ = 2,2 < R_смα = 6,3 МПа при α_см = 43°.

Растянутую стойку проектируем из арматурной стали класса А-III в виде одиночного тяжа, требуемая площадь сечения которого 135 мм²; принимаем тяж диаметром 14 мм с площадью сечения 154 мм². Наконечники к тяжам принимаем диаметром 18 мм.

Расчет узлов фермы

Опорный узел (рис. 41, а)

Требуемая площадь смятия в опорном узле под пластиной, передающей усилие от нижнего пояса на верхний,

F_см = N/R_смα = 182,45×10³/12,6 = 1,45×10⁴ мм²,

где R_смα - расчетное сопротивление смятию древесины 2-го сорта под углом α = 18°26' к волокнам с учетом коэффициентов m_в и γ_n, определяется по формуле (2) СНиП II-25-80.

Ширина пластины равна ширине пояса 150 мм, тогда высота пластины h_пл = 1,45×10⁴/150 = 97 мм; конструктивно принимаем высоту пластин h_пл = 250 мм, F_см = 150×250 = 3,75×10⁴ мм².

Давление на 1 мм² пластины составляет:

q = N/F_см = 182,45×10³/3,75×10⁴ = 4,86 Н/мм²;

максимальный погибающий момент в пластине на 1 мм ее ширины

M = ql²_р/12 = 4,86(150 + 10×2/2)²/12 = 9,74×10³ Н×мм;

требуемый момент сопротивления пластины

W^треб = Mγ_n/(R_yγ_с) = 9740×0,95/(245×0,95) = 39,8 мм².

где R_y - расчетное сопротивление по пределу текучести стали ВСт3пс.

Принимаем пластину толщиной 18 мм, момент сопротивления которой W = 1×18²/6 = 54 мм² > 39,8 мм³.

Сварку упорной пластины с боковыми пластинами башмака производим сплошным двусторонним швом толщиной 8 мм. Парные тяжи привариваем двусторонним швом толщиной 10 мм, длиной 10 см.

Требуемая площадь смятия опорной плоскости

F_см = Aγ_n/(m_вR_смα) = 82,85×10³×0,95/(0,9×3,2) = 2,74×10⁴ мм²,

где R_смα - расчетное сопротивление древесины смятию при α = 90° - 18°16' = 71°34'. Требуемая ширина площадки смятия a = F_см/b = 2,74×10⁴/150 = 182 мм, принимаем a = 200 мм.

Рис. 41. Узлы металлодеревянной треугольной фермы

а) опорный узел; б) коньковый узел; в) средний узел нижнего пояса; 1 - парные тяжи диаметром 20 мм; 2 - наконечник диаметром 28 мм; 3, 4 - полоса 150 ´ 110 ´ 10; 5 - уголок 125 ´ 80 ´ 10; 6 - антисептированная подкладка; 7 - упорная стенка башмака 250 ´ 190 ´ 18; 8 - полоса 250 ´ 110 ´ 10; 9 - крепежные винты; 10, 11 - болты диаметром 16 мм; 12 - деревянная накладка 70 ´ 150 ´ 930; 13 - тяж диаметром 14 мм; 14 - шайба 110 ´ 110 ´ 10; 15 - уголок 125 ´ 80 ´ 10; 16 - пластина; 17 - валик диаметром 36 мм; 18 - болт диаметром 16 мм; 19 - полоса 310 ´ 100 ´ 18; 20 - тяж диаметром 25 мм

Коньковый узел(см. рис. 41, б)

Требуемая площадь шайбы для передачи усилия отрастянутой стойки верхнему поясу из условия смятия

F_ш = Nγ_n/(m_вR_смα) = 53,3×10³×0,95/(0,9×3,2) = 1,76×10⁴ мм²,

принимаем шайбу из стали ВСт3пс размером 140 ´ 140 мм, с площадью нетто 1,94×10⁴ мм². Толщину шайбы определяем из условия ее изгиба и принимаем 10 мм.

Узел нижнего пояса (см. рис. 41, в)

Металлические детали, входящие в узловое соединение, выполняются из стали ВСт3пс. Сечение уголков по расчету на растяжение принято 125 ´ 80 ´ 10 мм, а сечение приваренных к тяжам полос - 310 ´ 100 ´ 18 мм. Соединение полос с уголками осуществляется с помощью валиков, диаметр которых определяем из условия изгиба и принимаем 36 мм.

Арки

6.37. Гнутоклееные деревянные арки, как правило, следует проектировать кругового очертания постоянного прямоугольного сечения с соотношением стрелы подъема к пролету свыше 1/6 и ширины к высоте сечения свыше 1/8.

Очертание стрельчатых трехшарнирных арок определяется из условий обеспечения заданного внутреннего габарита здания; при этом стрелу подъема полуарок рекомендуется принимать 1/12 - 1/15 длины хорды полуарки.

Рекомендуемые схемы, пролеты и другие геометрические параметры арок представлены в табл. 1.

6.38. Расчет и проектирование арок следует производить по правилам строительной механики и в соответствии со СНиП -II-25-80, пп. 6.25 – 6.27.

6.39. Опорное давление и распор от арок в зависимости от конструкции здания воспринимаются отдельными фундаментами или железобетонными, каменными несущими конструкциями здания, а также стальными затяжками.

Опирание арок на фундаменты или несущие конструкции здания и сопряжение в коньке могут осуществляться:

а) непосредственным упором части торцовой поверхности, центрированной по оси арки; при этом фиксация опорных участков арки в проектном положении осуществляется с использованием специальных стальных соединительных элементов (пластин, уголков, швеллеров);

б) через стальной шарнир.

6.40. Площадки, передающие усилие распора в торцы арки, должны быть ориентированы нормально к ее оси.

В арках с затяжками пролетом более 30 м одна из опор устраивается подвижной.

Распор пологих двухшарнирных арок при стреле подъема до 1/4l разрешается определять, как в трехшарнирных.

6.41. Расчет арок на прочность производится при следующих сочетаниях нагрузок:

а) в пологих арках (f < 1/3l);

расчетная постоянная и временная (снеговая) нагрузки на всем пролете и временная нагрузка от подвесного оборудования;

расчетная постоянная нагрузка на всем пролете, односторонняя временная (снеговая) нагрузка на половине пролета и временная нагрузка от подвесного оборудования;

расчетная постоянная нагрузка на всем пролете, односторонняя временная (снеговая) нагрузка, распределенная по треугольнику на половине пролета (СНиП II-6-74, табл. 5, п. 2), и временная нагрузка от подвесного оборудования;

б) в стрельчатых арках (f ≥ 1/3l) - расчетная постоянная и временная (снеговая) нагрузки на всем пролете и временная нагрузка от подвесного оборудования;

расчетная постоянная нагрузка на всем пролете, временная (снеговая) на половине пролета или части его в соответствии со СНиП II-6-74 и временная нагрузка от подвесного оборудования;

ветровая нагрузка с постоянной и остальными временными нагрузками.

6.42. При расчете двух- и трехшарнирных арок на несимметричную нагрузку, разбиение последней на симметричную и кососимметричную составляющие производится по всему пролету арки.

6.43. Расчетным сечением арки для каждого сочетания нагрузок при расчете на прочность является сечение с наибольшим изгибающим моментом, для которого определяется также нормальная сила; проверка нормальных напряжений в нем от сжатия с изгибом производится в соответствии со СНиП II-25-80, пп. 6.25 – 6.27.

Пример 1. Запроектировать трехшарнирную дощатоклееную арку кругового очертания для покрытия отапливаемого спортивного здания.

Рис. 42. Поперечный разрез и план арочного покрытия

Кровля из оцинкованной стали; Плиты покрытия размером 1,5 ´ 5 м с минераловатным утеплителем; Гнутоклееная арка 240 ´ 1344

Исходные данные

Арка постоянного прямоугольного сечения, пролет l = 60 м, стрела подъема f = 11 м > l/6 при шаге 6 м, опоры железобетонные (рис. 42). Район строительства III по снеговой нагрузке.

Ограждающая часть покрытия состоит из утепленных плит размером 1,5 ´ 6 м, укладываемых непосредственно на арки. По плитам устраивается кровля из оцинкованной стали.

Устойчивость арок из плоскости обеспечивается продольными деревянными ребрами плит и стальными диагональными тяжами, которые расположены и торцах здания и через 24 м вдоль здания, образуя поперечные связевые фермы. Продольные ребра плит прикреплены к верхним граням арок, а в коньке и пятах полуарок поставлены продольные элементы с упором в боковые грани арок.