Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Тверской государственный технический университет

Кафедра «Конструкции и сооружения»

Курсовая работа

по дисциплине «Конструкции из дерева и пластмассы»

на тему: «Проектирование однопролетного здания»

Выполнил: студент ИДПО группы ПГС-30-08

Шифр 004

Принял: Сизов Ю.В.

Тверь 2011



Содержание:

Задание на проектирование однопролетного здания.

1. Определение геометрических характеристик фермы

2. Расчет рабочего настила

2.1 Сбор нагрузок

2.2 Проверка рабочего настила по прогибу

3. Расчет неразрезного прогона

3.1 Сбор нагрузок

3.2 Подбор поперечного сечения прогона

3.3 Проверка прогона по прогибу

4. Статический расчет фермы

5. Подбор элементов сечения фермы

6. Конструирование и расчет узловых соединений.

6.1 Опорный узел

6.2 Коньковый узел

7. Расчет колонны.

7.1 Усилия в стойках рамы

7.2 Конструктивный расчет стойки

7.3 Проверка клеевого шва

7.4 Расчет анкерных болтов.

Список используемой литературы:



Задание на проектирование однопролетного здания

Вариант №38-4.

Таблица 1 - исходные данные

Место строительства	Тюмень
Нормативная снеговая нагрузка	S0=180 кг/м2
Нормативная ветровая нагрузка	W0=30 кг/м2
Назначение здания	Инструментальный цех
Покрытие	Дощатое по прогонам
Стропильные конструкции	Фермы
Пролет	lф=16 м
Шаг колонн	b=4.5 м
Длина здания	L=32 м



1. Определение геометрических характеристик фермы

Перед тем, как приступить к расчету настила, необходимо определить геометрические характеристики всех элементов фермы (рис. 1). Определяем графическим способом с учетом того, что ферма будет экономичной при выполнении соотношения h=lф/6=16/6=2667 мм.

Рисунок 1 - геометрические характеристики фермы



2. Расчет рабочего настила

Деревянные элементы являются несущими элементами деревянных ограждающих покрытий. Дощатые настилы изготовляют из досок на гвоздях и укладывают на прогоны. Рабочие доски должны иметь длину, достаточную для опирания их не менее чем на три опоры, с целью увеличения их изгибной жесткости по сравнению с однопролетным опиранием.

Расчет производится по прочности и прогибам при изгибе, при действии нормативных и расчетных значений линейных распределенных и сосредоточенных нагрузок.

2.1 Сбор нагрузок

Нагрузку на настил собираем в табличной форме (см. табл. 2).

Таблица 2 - сбор нагрузок

№ п/п	Вид нагрузки	Толщина элемента, мм	Нормативная нагрузка, кгс/м2	Коэффициент надежности по нагрузке, ?t	Расчетная нагрузка, кгс/м2
Постоянная нагрузка
1	Покрытие 3 слоя рубероида	-	9	1.3	11.7
2	Доски защитного настила (?=500 кгс/м3)	19	9.5	1.1	10.45
3	Утеплитель (минвата) (?=60 кгс/м3)	100	6	1.1	6.6
4	Пароизоляция	-	1.2	1.1	1.32
5	Доски рабочего настила(?=500 кгс/м3)	25	12.5	1.1	13.75
Итого	38.2		43.82
Временная нагрузка
6	Снеговая	-	126	1.4	180
Итого	164.2		223.82
7	Вес человека	-	100	1.2	120



Рисунок 2

Нагрузка на 1 п.м. условной полосы:

· Нормативная qn=(Gн+Sн)•1=164.2 кгс/м

· Расчетная q=(G+S)•1=223.82 кгс/м

Определяем изгибающий момент М и толщину досок рабочего настила ?.

· Для первого случая загружения (расчетная нагрузка + снеговая нагрузка):

Рисунок 3



Где l=1.405/sin50°=1.834 м.

Где Rи - расчетное сопротивление изгибу; b- условная ширина настила.

· Для второго случая загружения (расчетная нагрузка + человек):

Рисунок 4

Принимаем максимальное значение ?=1.94 см. Принимаем доски рабочего настила толщиной 25 мм. Их толщина после острожки составит 22 мм.

2.2 Проверка рабочего настила по прогибу

Прогиб настила берем для первого сочетания нормативных нагрузок:

Где f - прогиб настила;

E=109 кгс/м2 - модуль упругости дерева;

I - момент инерции условной полосы настила шириной b=100 см, определяемый по формуле:



3. Расчет неразрезного прогона

Дощато-гвоздевые спаренные прогоны являются многопролетными наразрезными. Состоят из двух рядов досок, соединенных пластами с помощью гвоздей. Дощато-гвоздевые прогоны устанавливаются в скатных покрытиях поперек скатов и опираются на ферму.

Дощато-гвоздевые прогоны применяют только в сочетании с перекрестными настилами, которые воспринимают скатные составляющие нагрузок и предупреждают возникновение косого изгиба. Они требуют меньшего расхода древесины, нежели брусчатые, но их изготовление является более трудоемким.

Дощато-гвоздевые спаренные прогоны работают и рассчитываются на изгиб от действия только нормальных к скату покрытия равномерно распределенных нагрузок от собственного веса всех элементов покрытия q и веса снега S.

3.1 Сбор нагрузок

Таблица 3 - сбор нагрузок

№ п/п	Вид нагрузки	Толщина элемента, мм	Нормативная нагрузка, кгс/м2	Коэффициент надежности по нагрузке, ?t	Расчетная нагрузка, кгс/м2
Постоянная нагрузка
1	Покрытие 3 слоя рубероида	-	9	1.3	11.7
2	Доски защитного настила (?=500 кгс/м3)	19	9.5	1.1	10.45
3	Утеплитель (минвата) (?=60 кгс/м3)	100	6	1.1	6.6
4	Пароизоляция	-	1.2	1.1	1.32
5	Доски рабочего настила(?=500 кгс/м3)	22	11	1.1	12.1
6	Прогон	-	10	1.1	11
Итого	46.7		53.17
Временная нагрузка
6	Снеговая	-	126	1.4	180

Нагрузка на 1 п.м. прогона:

· Нормативная qn=(Gн+Sн)•1.405=242.6 кгс/м

· Расчетная q=(G+S)•1=327.6 кгс/м

3.2 Подбор поперечного сечения прогона

Прогон кровли принимаем спаренный со стыками, расположенными по длине вразбежку на расстоянии 0.213•l=0.96 м от опоры. Чтобы не увеличивались напряжения в первом и последнем пролете уменьшаем их на 20% (0.8•4.5=3.6 м).

Рисунок 5 - расчетная схема прогона

Изгибающий момент на третьей опоре:

Требуемую высоту прогона определяем по формуле:



где b=10 см - ширина прогона (2 доски по 5 см).

Принимаем прогон из двух досок 175*50 мм. После острожки прогона с трех сторон по 2 мм размеры сечения составят 173*96 мм.

Площадь сечения F=b•h=9.6•17.3=166.1 см2.

Момент инерции сечения:

Момент сопротивления сечения:

Проверяем сечение прогона по прочности:

Недонапряжение составит:

Что является допустимым.



3.3 Проверка прогона по прогибу

Прогиб прогона определяем по формуле:

Где f - прогиб прогона;

E=109 кгс/м2 - модуль упругости дерева;

I - момент инерции сечения;

b - пролет прогона.

Элементы прогонов в местах стыка соединяют гвоздями диаметром d=4 мм и l=100 мм. Расчетную несущую способность одного среза гвоздя определяем по наименьшему значению.

По смятию средней доски:

Тс=35•с•d=35•4.8•0.4=67.2 кгс

Где с=4.8 см - толщина элемента.

По смятию крайней доски:

Тс=35•а•d=35•4.2•0.4=58.8 кгс

а=с-1.5d=4.8-1.5•0.4=4.2

По изгибу гвоздя:

Тс=400•d2=400•0.42=64 кгс

Требуемое количество гвоздей, скрепляющих доски прогона с каждой стороны стыка, определяем по формуле:



Где Хгв=0.2•b-1.5•d=0.2•450-1.5•0.4=89.4 см

Принимаем 6 гвоздей в одном вертикальном ряду.

Расстояние между осями гвоздей поперек волокон древесины:

Расстояние от оси гвоздя до торца элемента:

Кроме расчетных гвоздей по длине прогона конструктивно ставим гвозди через 0.5 м.



4. Статический расчет фермы

Собственный вес фермы находим по формуле:

Где Ксм - коэффициент собственной массы (принимается в пределах 3-5).

Расчетная нагрузка на ферму:

Узловая нагрузка:

Постоянная Q=q•Fгр=61.88•18=1114 кгс.

Где Fгр=4.5•4=18 м2 - грузовая площадь.

Снеговая G=S•Fгр=180•18=3240 кгс.

Рисунок 6

Определяем усилия в элементах фермы.



Таблица 4 - расчетные усилия в стержнях фермы

Элементы фермы	Усилия от единичной нагрузки	Усилия от постоянной нагрузки Q=1114 кгс	Усилия от снега G=3240 кгс	Расчетное усилие, кгс
	Слева	Справа	На всей		Слева	Справа	На всей
Верхний пояс	б-1	-3.1	-1.55	-4.65	-5180.1	-10044	-5022	-15066	-20246.1
	в-2	-2.8	-1.55	-4.35	-4845.9	-9072	-5022	-14094	-18939.9
	д-4	-1.55	-2.8	-4.35	-4845.9	-5022	-9072	-14094	-18939.9
	д-5	-1.55	-3.1	-4.65	-5180.1	-5022	-10044	-15066	-20246.1
Нижний пояс	1-к	+2.95	+1.45	+4.4	+4901.6	+9558	+4698	+14256	+19157.6
	3-к	+1.45	+1.45	+2.9	+3230.6	+4698	+4698	+9396	+12626.6
	5-к	+1.45	+2.95	+4.4	+4901.6	+4698	+9558	+14256	+19157.6
Раскосы	1-2	-0.95	0	-0.95	-1058.3	-3078	0	-3078	-4136.3
	2-3	+1.5	0	+1.5	+1671.0	+4860	0	+4860	+6531.0
	3-4	0	+1.5	+1.5	+1671.0	0	+4860	+4860	+6531.0
	4-5	0	-0.95	-0.95	-1058.3	0	-3078	-3078	-4136.3



5. Подбор элементов сечения фермы

Подбор сечений стержней производится с учетом предельно допускаемых гибкостей ?:

· Для сжатых стержней верхнего пояса 120;

· Для сжатых стержней решетки 150;

· Для растянутых стержней решетки 200.

Верхний пояс.

Верхний пояс по длине одного ската проектируем разрезным.

Рисунок 7 - расчетная схема

Определяем расчетную нагрузку от покрытия на верхний пояс фермы:

Назначаем сечение бруса b*h=140*21.5 мм после острожки.

Рисунок 8 - сечение верхнего пояса

Находим изгибающий момент по формуле:

Где е - эксцентриситет опирания концов бруса в узлах, принимаемый равным 4 см.

Гибкость равна:

Момент сопротивления сечения:

Проверяем сечение пояса по прочности:

Недонапряжение составит:

Нижний пояс.

Стержень N1-к, 5-к.

Принимаем металлическим из двух равнополочных уголков. Максимальное усилие в стержне нижнего пояса N1-к, 5-к=19157.6 кгс. Требуемая площадь сечения для растянутого пояса:



Принимаем сечение из двух равнополочных уголков 56*5 ГОСТ8509-72 с общей площадью А=10.82 см2.

Масса одного погонного метра уголка Р=4.25 кг, радиус инерции ix=1.72 см. I=2•16=32 см4, z0=1.57 см.

Гибкость пояса в вертикальной плоскости:

Минимальный момент сопротивления сечения:

Собственный вес пояса qп?8.6 кгс/м

Изгибающий момент от собственного веса пояса:

Напряжение в поясе:

Не превышает допустимую для растянутых элементов величину.

Стержень N 3-к.

Принимаем металлическим из двух равнополочных уголков. Максимальное усилие в стержне нижнего пояса N3-к=12626.6кгс. Требуемая площадь сечения для растянутого пояса:

Принимаем сечение из двух равнополочных уголков 40*5 ГОСТ8509-72 с общей площадью А=7.58 см2.

Масса одного погонного метра уголка Р=2.98 кг, радиус инерции ix=1.21 см. I=2•5.53=11.06 см4, z0=1.17 см.

Гибкость пояса в вертикальной плоскости:

Минимальный момент сопротивления сечения:

Собственный вес пояса qп?6 кгс/м

Изгибающий момент от собственного веса пояса:

Напряжение в поясе:

Не превышает допустимую для растянутых элементов величину.

Раскосы.

Принимаем сечение раскоса 95*70 мм после острожки. Площадь сечения А=9.5•7=66.5 см2.

Рисунок 9 - сечение раскоса

· Сжатый раскос.

Расчет на прочность:

Расчет на устойчивость.

Расчетная гибкость находится по формуле:

При данной гибкости коэффициент продольного изгиба находим по формуле:

Где а=0.8 для древесины.

· Растянутый раскос.

Принимаем металлическим из двух равнополочных уголков. Максимальное усилие в стержне растянутого раскоса N2-3,3-4 =6531 кгс. Требуемая площадь сечения для растянутого пояса:

Принимаем сечение из двух равнополочных уголков 40*4 ГОСТ8509-72 с общей площадью А=6.16 см2.

Масса одного погонного метра уголка м=2.42 кг. Радиус инерции ix=1.22 см.

Гибкость раскоса в вертикальной плоскости:

Не превышает допустимую для растянутых элементов величину.



6. Конструирование и расчет узловых соединений

Конструкции узлов являются важнейшими деталями ферм, от них в большей степени зависят прочность, надежность и долговечность фермы. Опорные узлы выполняют с помощью стальных башмаков и сварных швов. Верхний пояс упирается в опорный лист и диафрагму башмака, а нижний пояс соединяется накладками с боковыми фасонками. Верхний пояс центрируется в узле по его осям, а нижний - только нижней площадью торца для создания в нем эксцентриситета продольных сил. Узлы нижнего пояса треугольных ферм с нисходящими раскосами решаются с учетом того, что в стержнях их решетки действуют значительно большие усилия, чем в решетке сегментных. В треугольных фермах сжатые раскосы крепятся лобовыми упорами в потолке стальных уголковых коротышей, приваренных к полкам уголков нижнего пояса, и закрепляются стальными накладками и болтами . Стержни растянутых стоек крепятся гайками и накладками, приваренными к нижнему поясу. Коньковый узел решается с помощью стального крепления, состоявшего из двух фасонок и треугольной диафрагмы и болтов. Сжатые стержни верхнего пояса крепятся прямыми лобовыми упорами и болтами к наклонным поверхностям диафрагмы.

6.1 Опорный узел

Узел проектируем сварным из стальных листов башмака. Верхний пояс упирается в ребристую плиту, приваренную к щекам башмака. Высоту сечения щеки башмака принимаем конструктивно ?=15 мм. Нижний пояс крепится к щекам башмака сварными швами. Для выполнения сварных швов используем электрод Э-42.

Примыкание верхнего пояса к башмаку.

Определяем площадь опирания торца верхнего пояса на плиту башмака из условия смятия:

Ширину плиты принимаем равной ширине верхнего пояса b=140 мм. Длина плиты:

Принимаем l=15 см.

Опорную плиту рассчитываем как контурную, опирающуюся на четыре стороны. Нагрузка на плиту:

Максимальный изгибающий момент:

Где ?=0.055 - коэффициент при l/b=15/14=1.1 [2].

Требуемый момент сопротивления сечения плиты:

Толщина плиты:

Принимаем ?=18 мм.

Определяем длину швов, крепящих плиту к щекам башмака. Задаемся четырьмя швами с катетом шва кf=6 мм. Длина швов:

Где Rwf - расчетное сопротивление срезу металла шва;

?f - коэффициент глубины проплавления шва.

Примыкание нижнего пояса.

Определяем длину швов, крепящих уголки нижнего пояса к стальной пластине и пластину к щекам башмака при количестве швов равном 4 по формуле:

Принимаем длину одного шва равной 8 см.

Сечение пластины:

Принимаем 2 пластины с площадью поперечного сечения А=0.6•8=4.8 см2 каждая.

Опорная плита башмака.

Опорная плита крепится к обвязочному брусу двумя болтами d=18 мм. Определяем площадь поперечного сечения плиты из условия смятия обвязочного бруса поперек волокон:

Где R=(241.88•4.5•16)/2=8708 кгс - опорная реакция.

Принимаем плиту конструктивно 220*180 мм.

Напряжение под плитой:

Толщину плиты определяем из условия изгиба:

· Консольный участок плиты

Где с=2.5 см - вылет консоли

· Средний участок плиты

Момент сопротивления определяем для изгибающего момента среднего участка плиты:

Толщина плиты:

Принимаем ?=16 мм.

6.2 Коньковый узел

Для передачи усилий поясов и раскосов в коньковом узле устанавливаются сварные стальные башмаки. Размеры определяются из условия смятия верхнего пояса.

Определяем площадь опирания торца верхнего пояса на плиту башмака из условия смятия:

Ширину плиты принимаем равной ширине верхнего пояса b=140 мм. Длина плиты:

Принимаем l=12 см.

Опорную плиту рассчитываем как однопролетную балочную плиту. Нагрузка на плиту:

Максимальный изгибающий момент:



Требуемый момент сопротивления сечения плиты:

Толщина плиты:

Принимаем ?=8 мм.

Узловой болт, к которому крепятся раскосы рассчитываем на срез и на смятие соединяемых элементов от равнодействующей усилий в раскосах, равной:

Принимаем болты диаметром d=2 см, площадью поперечного сечения Аb=3.14 см2 из стали класса прочности 4.6.

Расчетное усилие по срезу, воспринимаемое одним болтом:

Расчетное усилие по смятию, воспринимаемое одним болтом:

Где Rbs и Rbp - расчетные сопротивления болтового соединения срезу и смятию соответственно;

Аb - площадь сечения болта;

?b - коэффициент условий работы болтового соединения;

ns - число расчетных срезов одного болта;

d - диаметр болта;

- наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении.

Для соединения растянутого раскоса и башмака используются стальные пластины. Площадь поперечного сечения:

Принимаем 2 пластины с площадью поперечного сечения А=0.6•6=3.6 см2 каждая.

Длина швов, соединяющих уголки раскосов и стальные пластины, равна:

Принимаем lw=4 см.



7. Расчет колонны

Рисунок 10 - Расчетная схема рамы цеха

Сбор нагрузок, действующих на колонну:

Собственный вес фермы (см. п. 4):

Расчетная нагрузка на ферму:

Постоянное расчетное давление на стойку:

Расчетное давление на стойку от снеговой нагрузки:



Расчетную нагрузку от собственного веса стойки принимая сечение ориентировочно 0.2*0.405 м:

Ограждающие конструкции - панели стеновые с деревянным каркасом и асбестоцементными обшивками, закрепленными на шурупах. Утеплитель - минераловатные плиты общей толщиной 100 мм и плотностью 175 кг/м3. Нагрузка от стенового ограждения:

Где hк - высота колонны;

hц - высота цоколя.

Расчетная ветровая нагрузка на раму от стены:

Где W0 - нормативное значение ветрового давления;

К - коэффициент, принимаемый по табл. 6 СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия» и равный для открытой местности 0.83;

С - аэродинамический коэффициент, принимаемый по прил. 4 СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия» равный Се=+0.8; Се3=-0.4.

Давление на стену:



7.1 Усилия в стойках рамы

Рама является один раз статически неопределимой системой. За лишнее неизвестное принимаем продольное усилие Х в ригеле, которое определяем для каждого типа загружения отдельно:

· От ветровой нагрузки на стены

Где Н=6.5-0.6=5.9 м.

· От стенового ограждения при расстоянии между серединой стенового ограждения и стойкой е=0.4 м:

Изгибающие моменты в заделке:

Поперечные силы в заделке стоек:

Мрасч=1227.21 кгс•м; Qрасч=563 кгс.

Где К - коэффициент учитывающий дополнительные сочетания нагрузок.

7.2 Конструктивный расчет стойки

настил анкерный болт стойка

Принимаем стойку из 7 досок толщиной 4.5 см после острожки шириной 17 см. Высота сечения h=32 см, ширина b=14 см, площадь поперечного сечения А=32•14=448 см2.

Момент сопротивления сечения:

Момент инерции сечения:

Статический момент поперечного сечения:

Определяем гибкость стойки в плоскости изгиба, считая, что в здании отсутствуют жесткие торцевые стены:

Где ? - коэффициент, зависящий от способа закрепления концов стержня.

Где ? - коэффициент, учитывающий дополнительный момент от продольной силы при деформации элемента.

Сечение соответствует условиям прочности.

Вдоль здания стойки раскрепляем вертикальными связями и раскосами, установленными по середине высоты стойки. Проверка стойки с учетом устойчивости плоской формы изгиба не требуется.

7.3 Проверка клеевого шва

Клеевой шов проверяем по формуле:

Где bрасч=0.6•b=0.6•14=8.4 см - расчетная ширина сечения;



7.4 Расчет анкерных болтов

Для крепления анкерных болтов по бокам стойки сделаны уширения на величину 12.7 см. Расчет болтов ведем по максимальному растягивающему усилию при действии постоянной нагрузки с коэффициентом перегрузки n=0.9 вместо n=1.1 и ветровой нагрузки:

Где

Напряжение на поверхности фундамента:

Где hn=32+12.7•2=57.4 см - высота нижнего сечения стойки.

Для фундамента принимаем бетон В12.5 с расчетным сопротивлением сжатию 75 кгс/см2.

Вычисляем участки эпюры напряжений:

Усилие в болтах определяется по формуле:



Площадь сечения болтов:

Где Rbt - расчетное сопротивление болта растяжению.

По СНиП 2-23-81* подбираем болты диаметром d=16 мм А=2.01 см2.



Список используемой литературы:

1. Гринь И.М. Строительные конструкции из дерева и синтетических материалов. Проектирование и расчет: учебное пособие для вузов - 2-е изд. перераб. и доп. 1979.-272 с.

2. Беленя Е.И. Металлические конструкции. Общий курс.- Москва: Стройиздат, 1985 год.

3. СНиП 2-25-80 «Деревянные конструкции».

4. СНиП 2-23-81* «Металлические конструкции».

5. СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия».

6. ГОСТ 24454-80* «Пиломатериалы хвойных пород».

Размещено на Allbest.ru