Кафедра строительных конструкций

Кафедра строительных конструкций

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

По выполнению курсового проекта

по дисциплине “Конструкции из дерева и пластмасс ”

Для специальности 2903

“Промышленное и гражданское строительство”

Часть II. Несущие конструкции.

Утверждена

На заседании кафедры

«Строительные конструкции»

«29» декабря 2003г.

Протокол № 5

Зав. кафедрой Малышкин А.П.

Тюмень 2004

Методические указания разработал к.ф. – м.н. доцент кафедры строительных конструкций Филисюк В.Г.

Методические указания предназначены для студентов специальности “Промышленное и гражданское строительство” дневной и заочной формы обучения, выполняющие курсовой проект по конструкциям из дерева и пластмасс. В методических указаниях дана необходимая теоретическая и справочная информация, а так же приведен пример расчета дощатоклееной рамы.

Рецензент - к.т.н., доцент кафедры строительных конструкций Денисов М.Г.

Методические указания утверждены на заседании кафедры.

Протокол № 5 от 29 декабря 2003 г.

Зав. кафедрой Малышкин А.П.

Ротапринт ТюмГАСА. Подписано к печати _____________ Тираж 50 .

СОДЕРЖАНИЕ:

1. ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................... 4

2. ДОЩАТОКЛЕЕНЫЕ ГНУТЫЕ РАМЫ........................................................... 4

3. ПРИМЕР РАСЧЕТА ДОЩАТОКЛЕЕНОЙ ГНУТОЙ РАМЫ....................... 7

3.1. Сбор нагрузок.................................................................................................... 7

3.2. Геометрические размеры рамы....................................................................... 8

3.3. Определение усилий в расчетных сечениях рамы............................................. 9

3.4. Поверка сечений рамы.................................................................................... 11

3.5. Проверка устойчивости плоской формы деформирования......................... 12

3.6. Конструкция и расчет узлов рамы................................................................ 13

3.6.1. Расчёт конькового узла............................................................................. 13

3.6.2. Расчет опорного узла................................................................................ 14

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................................ 17

ВВЕДЕНИЕ.

Деревянные рамы применяют в качестве несущих каркасов одноэтажных зданий павильонного типа различного назначения. Чаще всего используют однопролетные симметричные рамы с двускатным ригелем. Рамы решают обычно по трехшарнирной схеме с шарнирными опорными и коньковым узлами и жестким узлом в месте соединения ригеля со стойкой (карнизным узлом).

В современном строительстве применяют главным образом рамные конструкции заводского изготовления. Стойки и ригели таких рам выполняют в виде многослойных пакетов с плавно переменным или ступенчато - переменным по длине сечением. Сопряжение ригеля со стойкой в карнизном узле осуществляют на месте изготовления рам стыкованием клееных пакетов ригеля и стойки на зубчатом соединении, с перекрытием стыка фанерными накладками на клею или плавным переходом стойки в ригель путем гнутья досок в этом узле.

Сборные рамы, отдельные элементы которых перевозят на место строительства в разобранном виде, выполняют обычно с устройством дополнительных подкосов в карнизных узлах. При небольших пролетах и нагрузках такие рамы можно устраивать из цельных брусьев на подсобных предприятиях строительных организаций.

Рамные конструкции по сравнению с арочными имеют значительно больший собственный вес. При предварительном определении собственного веса рам по формуле (1) следует принимать коэффициент .

Собственный вес несущих конструкций приближенно определяют по формуле:

, (1)

где q^н и p^н – соответственно нормативные постоянная и временная нагрузки;

l – пролет в м;

k_с.в – коэффициент собственного веса.

Расчет трехшарнирных деревянных рам производят обычными приемами статики.

Рамные конструкции отличаются от арочных своим очертанием, которое сильно влияет на распределение изгибающих моментов в пролете. При ломаном очертании рамы в жестком карнизном узле при загружении как левой, ак и правой половины рамы возникают моменты одного знака. В результате при загружении рамы по всему пролету угловые моменты сильно увеличиваются, что ограничивает длину пролетов, перекрываемых рамами, до 18 – 30 м.

Рамы могут воспринимать горизонтальные нагрузки, обеспечивая поперечную устойчивость здания без защемления стоек и без устройства жестких поперечных стен. Рекомендуется делать рамы трехшарнирными, так как в статически определимых системах не происходит перераспределения усилий при деформировании под длительно действующей нагрузкой, что обеспечивает соответствие их расчетным усилиям.

ДОЩАТОКЛЕЕНЫЕ ГНУТЫЕ РАМЫ.

Дощатоклееные гнутые рамы (рис. 1) выполняют трехшарнирными, что облегчает их изготовление, транспортирование и монтаж. Криволинейность карнизных узлов достигается выгибом слоев (досок) по окружности при изготовлении рам. Радиус кривизны обычно невелик и составляет 2 – 4 м. Так как по условиям гнутья отношение радиуса кривизны к толщине слоя (R/d)не может быть меньше 150, то толщина слоев для изготовления дощатоклееных гнутых рам после фрезерования будет составлять не более 1,6 – 2,5 см. Следовательно, дощатоклееные гнутые рамы более трудоемки в изготовлении, чем арки и требуют большего расхода древесины и клея. Кроме того, расчетное сопротивление изгибу уменьшается умножением на коэффициент гнутья, меньший единицы.

Сечение рамы делают прямоугольным, а высоту сечения – переменной по длине, что достигается уменьшением числа досок в пакете с внутренней стороны рамы. Постепенное плавное изменение высоты сечения (рис.1, а) предпочтительнее с архитектурной точки зрения, но технологически менее выгодно. Менее сложно и трудоемко изготовление дощатоклееных гнутых рам с применением ступенчатого изменения высоты сечения (рис.1, б), которые разработаны для пролетов 12 и 18 м. (рис.2). Рамы работают на сжатие и поперечный изгиб.

Рис. 1. Дощатоклееные гнутые рамы

а – с переменной высотой сечения; б – со ступенчатым изменением высоты сечения.

Рис. 2. Дощатоклееная гнутая рама пролетом 18 м.

В связи с переменностью высоты сечения нормальные напряжения следует проверять в различных местах рамы по длине. Нормальные напряжения находят по формулам для сжато - изгибаемого стержня [п.6.30 СНиП 2-25-80*.]:

;

, (2)

где N_i , M_i – нормальная сила и изгибающий момент в рассматриваемом сечении;

F_{i бр} и W_{i нт} – площадь и момент сопротивления рамы в рассматриваемом сечении;

l - гибкость рамы, постоянная для всех сечений рамы;

k_rв – коэффициент к расчетному сопротивлению, учитывающий криволинейность эпюры напряжений (рис.3).

Рис.3. Расчетная схема к определению напряжений в криволинейной части гнутоклееных рам.

Коэффициент k_rв определяют по формулам:

а) при проверке напряжений по внутренней кромке

k_rв = ; (3)

б) при проверке напряжений по наружной кромке

k_rв = ; (4)

Расстояние z от центральной оси поперечного сечения до нейтральной оси находя по формуле: (5)

При переменной высоте прямоугольного сечения рамы ее гибкость можно вычислить приближенно

, (6)

где l_расч – расчетная длина, равная длине полурамы по осевой линии;

h_ср.вз – средневзвешенная высота сечения рамы;

h_ср.вз = . (7)

ПРИМЕР РАСЧЕТА ДОЩАТОКЛЕЕНОЙ ГНУТОЙ РАМЫ.

Запроектировать и рассчитать несущие конструкции покрытия птицеводческого здания шириной в плане 18 м. Шаг расстановки конструкций в продольном направлении здания В=3 м. Ограждающая часть покрытия состоит из прогонов, по которым уложена кровля из профилированного настила. Уклон кровли i = 1: 4. Изготовление конструкции - заводское. Место строительства – г. Тобольск.

В качестве несущих конструкций покрытия принимаем деревянные гнутоклееные трехшарнирные рамы (рис 4, а). Стены здания каркасно-панельной конструкции с передачей давления от них непосредственно на фундаменты.

Для обеспечения устойчивости рам из своей плоскости и общей жесткости покрытия устраиваются скатные связи в виде связевых ферм и распорок, располагаемых по длине здания через 6 – 8 пролетов.

Рис. 4. Схема поперечного разреза здания и расчетная схема рамы.

Сбор нагрузок.

По СНиП II.01.07-85“Нагрузки и воздействия”.

Снеговой район III (г. Тобольск).

Тип местности В: городские территории, лесные массивы, препятствия высотой более 10 м.

Средняя скорость ветра зимой 4 м/с

S₀=100кг/м² нормативное значение для III снегового района, тип местности В (СниП 2.01.07-85^*)

Собственный вес рамы при k_с.в=6 _.определяется по формуле

где g^н и p^н- соответственно нормативные постоянная и временная нагрузки;

l-пролет в м;

k_с.в- коэффициент собственного веса.

Полное нормативное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия S следует определять по формуле:

S=S₀× m,

где S₀-нормативное значение веса снегового покрова на 1м² горизонтальной поверхности земли, принимаемое в соответствии с п.5.2;

m=1-коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие, принимаемый в соответствии с пп.5.3-5.6.

q_{покрытия}/q_снег=15/100=0,15<0,18, тогда g_f=1,6

Расчетное значение снеговой нагрузки

q= S₀×m×g_f=100×1×1,6=160кг/м²

Таблица 1.

Материал	qн, кг/м2	gf	qр, кг/м2
Профнастил 0,00085*7850	6,7	1,05	7,08
Прогон 0,05*0,15*600*2		1,1	9,9
Итого собственный вес	14,9		16,98
Снеговая нагрузка		1,6
ИТОГО	114,9		176,98

Расчетная нагрузка на 1 пог. м пролета рамы:

Постоянная g=(16,98+13,91×1,1) ×3=96,84 кгс/м;

Временная p=100×1,6×3=480кгс/м;

Полная q=480+96,84=577кгс/м.

Ветровая нагрузка в расчет не принимается, так как при небольшой высоте здания (до 4,5м) и наличия стоек каркаса стены, воспринимающих ветровое давление и передающих его непосредственно на фундамент, эта нагрузка не ведет к увеличению внутренних усилий в раме.

Поверка сечений рамы.

Сечения рамы проектируем прямоугольными. Для изготовления гнутоклеенных рам принимаем доски сечением 22×150мм. После острожки толщина доски будет равна 16мм, ширина сечения рамы b=140 мм.

Сечение рамы в месте максимального момента принимаем из 38 досок;

Высота сечения h₁=38×16=608мм;

Площадь F=14×60,8=851см²;

Момент сопротивления: .

В сечении 2 ось расчетной схемы рамы не совпадает с центром тяжести расчетного сечения (см. рис.5.). Вследствие этого продольная сила, определенная относительно оси рамы, вызывает относительно центра тяжести сечения дополнительный изгибающий момент.

Расстояние от оси рамы до центра тяжести расчетного сечения

e₁=0,5h₁-h₀=0,5×60,8-22=8,4см.

l₀ – расчетная длина, равная длине полурамы по осевой линии [п.6.28 СНиП 2-25-80*.]

Средний радиус инерции сечения

r=0,289

Здесь h_1,2,3-высота сечения рамы на данном участке длины l_1,2,3

кгс×м.

Здесь m_б=1 - коэффициент условий работы для сжато-изгибаемых элементов прямоугольного сечения высотой не более 50см., табл. 7. СНиП II-25-80*.

m_гн=0,83 - коэффициент снижения расчетного сопротивления изгибу и сжатию для гнутых элементов при отношении r_к/a=2620/16=164., табл. 9. СНиП II-25-80*.

m_сл=1,1 – коэффициент условий работы для сжато-изгибаемых элементов, зависит от толщины слоев, табл. 8. СНиП II-25-80*.

Расчёт конькового узла.

Максимальные усилия N =(4011-577×8,72)0,242+2918×0,97=2583,5кгс (сжатие) (постоянная + снег)

Q =(4011-577×8,72)0,97-2918×0,242=-1696кгс (снег слева)

Рассчитываем лобовой упор на смятие силой N :

Смятие происходит под углом a=14° к направлению волокон.

Расчётное сопротивление смятию под углом к волокнам (формула 2, СНиП 2-25-80*):

Торцы клееных блоков ригеля в узле соединяем впритык не по всей высоте, а со срезом крайних досок по 50 мм. Для большей подвижности узла и предотвращения откола крайних волокон при повороте элементов шарнирного узла.

Поперечное сечение стыка 34,5х14

F_см =

Коньковый узел решён с применением накладок толщиной 25мм и нагелей диаметром 16мм из стеклопластика АГ-4С.

Определяем количество нагелей, воспринимающих силу Q =1696кгс при угле смятия древесины a = 90°-14°=76°

Коэффициент смятия , (табл.19 СНиП 2-25-80*.)

Несущая способность нагеля на один шов сплачивания:

Число нагелей:

,( формула 55, СНиП 2-25-80*).

где n_ш – количество швов сплачивания.

Т – минимальная несущая способность нагеля.

Принимаем 5 нагеля диаметром 16мм из стеклопластика АГ-4С

Расстояние между осями цилиндрических нагелей вдоль волокон древесины - S₁ = 6d=96; поперек волокон - S₂ = 3,5d=56; от кромки элемента - S₃ = 3d=48. [п.5.18 СНиП 2-25-80*.]

Принимаем накладки сечением 960х170х25 на болтах d=16 мм.

Рис.6. Коньковый узел рамы.

Расчет опорного узла.

Максимальные усилия N =(4011-577×0)0,242+2918×0,97=3801,1кгс (сжатие) (постоянная + снег)

Q =(4011-577×0)0,97-2918×0,242=-3184,5кгс (снег слева)

Проверяем клеевые швы на скалывание по формуле 18 СниП 2-25-80*.

,

где Q – расчетная поперечная сила;

S_бр – статический момент брутто сдвигаемой части поперечного сечения элемента относительно нейтральной оси;

I_бр – момент инерции брутто поперечного сечения элемента относительно нейтральной оси;

b_расч – расчетная ширина сечения элемента;

h_п – ширина паты за вычетом срезки 11,2 см.

R_ск – расчетное сопротивление скалыванию при изгибе. (табл.3 СНиП 2-25-80*).

R_ск=15 кгс/см²

m_сл =1,1 - коэффициент условий работы для сжато-изгибаемых элементов, зависит от толщины слоев, табл. 8. СНиП II-25-80*.

Проверяем древесину на смятие в месте упора стойки рамы на фундамент. Расчет сечения на смятие вдоль волокон следует производить по формуле:

;

для сжато-изгибаемых и сжатых клееных элементов в зависимости от толщины слоев значения расчетных сопротивлений изгибу, скалыванию и сжатию вдоль волокон следует умножать на m_сл (табл.8 СниП);

s_см=3801,1/46,6×14=5,47<150×1,1=165

Высота вертикальной стенки башмака из условия смятия древесины поперек волокон

Принимаем h_б = 20 см.

Для определения толщины этой стенки из условий изгиба ее как пластинки с частичным защемлением на опорах с учетом развития пластических деформаций при изгибе сначала находим момент

Требуемый момент сопротивления

Тогда толщина пластинки

см.

Принимаем d = 10мм.

Расчёт анкерного болта.

Расчет согласно п.11.6. СниП II-23-81*.

Крепление траверсы башмака к фундаменту предусматриваем двумя болтами класса 4.6, d=20мм, работающими на срез.

R_bs=1500 кгс/см² – расчетное сопротивление срезу (табл.58*);

А=3,14 см² – площадь болта (табл.62*)

Напряжения анкерного болта на срез

Под гайки болтов следует устанавливать круглые шайбы по ГОСТ 11371-78*(п12.18*,СниП II-23-81*)

g_с – коэффициент условий работы

g_b - коэффициент условий работы соединения по табл.35*.

Расчёт нагельных болтов.

Определение равнодействующей поперечной и продольной сил в стойке

Расчетную несущую способность цилиндрических нагелей при направлении передаваемого нагелем усилия под углом к волокнам следует определять согласно п.5.13 с умножением на величину при расчете нагеля на изгиб (п.5.14.)

Несущая способность нагеля на один шов сплачивания:

с – толщина средних элементов;

d – диаметр нагеля.

Число нагелей:

,( формула 55, СНиП 2-25-80*).

где n_ш – количество швов сплачивания.

Т – минимальная несущая способность нагеля.

N – расчетное усилие;

Принимаем 3 нагеля диаметром 24мм из стеклопластика АГ-4С

Рис.7. Опорный узел рамы.

1 – стойка рамы;

2 – опорный уголок 200х125х12 мм.

3 – стенка башмака 140х10 мм.

4 – болт d= 16 мм.

5 – анкерный болт d= 24 мм.

6 – железобетонный фундамент;

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. СНиП II-25-80. Нормы проектирования. Деревянные конструк­ции. М.: Стройиздат. - 65 с.
2. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия.
3. Карлсен Г.Г. и др. Конструкции из дерева и пластмасс. -М.: 1975. - 687 с.
4. Зубарев Г.Н. Конструкции из дерева и пластмасс. -М.: Высш. Школа, 1990. - 287 с., ил.
5. Шишкин. В.Е. Деревянные конструкции. . М.: Стройиздат.
6. Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП II-25-80) . М.: Стройиздат, 1986. – 216 с.

Кафедра строительных конструкций

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ