Защита деревянных конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Целью выполнения данного курсового проекта является закрепление теоретических знаний по расчету и проектированию конструкций из дерева и пластмасс.

В составе данного раздела курсового проекта решаются следующие вопросы:

1. Расчет конструкций покрытия здания, заданного по шифру;

2. Определение действующих нагрузок, разработка расчетных схем элементов покрытия, выполнение статических расчетов;

3. Проверка несущей способности элементов покрытия и поперечной рамы здания;

4. Разработка и принятие мер для защиты деревянных конструкций от загнивания, возгорания и коррозии.

Исходные данные

Шифр - 096:

Шаг рам в продольном направлении - 4,2 м

Длина пролета - 23 м

Расстояние до низа стропильных конструкций - 9,0 м

Схема основных несущих конструкций здания (см. рис. 1)

Длина здания равна 11*В=46,2 м

Рис. 1 Схема основных несущих конструкций здания

1. Геометрический расчет конструктивной схемы.

Геометрический расчет конструктивной схемы заключается в определении размеров элементов фермы (рис. 2)

Рис. 2 Расчетные длины элементов фермы.

Принимаем уклон фермы . Тогда высота фермы в середине пролета составит:

Угол наклона верхнего пояса фермы к горизонтали составит:

, .

Определяем длины элементов фермы:

,

2. Сбор нагрузок

Сбор нагрузок на горизонтальной поверхности покрытия:

Таблица 1. Сбор нагрузок для расчета клеефанерной плиты

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка	Коэффициент надежности по нагрузке	Расчетная нагрузка
Кровля рубероидная трехслойная	12,7	1,2	15,24
Клеефанерная плита:
- фанера	10,24	1,1	11,26
- каркас из древесины	5,72	1,1	6,29
- Утеплитель - минераловатные плиты	3,56	1,2	4,27
Вес плиты Р	19,52		21,82
	21,02		23,5
Снеговая нагрузка	38	1,4	53,2
Полная нагрузка	66,59		85,36

Таблица 2. Сбор нагрузок для расчета фермы

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка	Коэффициент надежности по нагрузке	Расчетная нагрузка
Кровля рубероидная трехслойная	12,7	1,2	15,24
Вес плиты Р	19,52		21,82
	21,02		23,5
Снеговая нагрузка	38	1,4	53,2
Собственный вес фермы	9,32	1,1	10,25
Полная нагрузка	81,04		102,19

3. Расчет клеефанерной плиты

Принимаем размеры плиты в плане (см. рис. 3)

Обшивка клеефанерной плиты - водостойкая фанера марки ФСФ сорта В/ВВ толщиной .

Ребра из сосновых досок второго сорта, клей КБ-3. Так как тепловой режим здания теплый, укладываем утеплитель - минераловатные плиты толщиной с объёмным весом . Пароизоляция из полиэтиленовой плёнки толщиной .

Принимаем каркас плиты из четырех продольных рёбер размерами поперечного сечения принятыми по сортаменту с учетом острожки по периметру :

Ширина панели по верху , по низу

Расчётный пролёт плиты:

Принятая высота панели: , что составляет пролёта.



Рис. 3

Геометрические характеристики сечения

Коэффициент приведения к фанере равен:

Приведенная площадь сечения:

Приведенный момент инерции сечения:

где расстояние от центра тяжести сечения плиты до центра тяжести нижней и верхней фанеры соответсвенно;

площадь сечения нижней фанеры;

площадь сечения верхней фанеры;

Проверка клеефанерной плиты на прочность

Расчетная схема плиты приведена на рисунке 4.

Рис. 4

а) Расчетная схема плиты

б) Эпюра изгибающих моментов

в) Эпюра перерезывающих сил

Определяем погонную нагрузку на плиту:

Момент в расчетном сечении составит:

Напряжения в растянутой обшивке:

где расчетное сопротивление растяжению фанеры толщиной по табл. 10 [1].

Проверяем устойчивость сжатой обшивки в расчётном сечении по формуле 6.4 [3]:

, где , т.к.

.

Тогда , где по табл. 10 [1]

Верхнюю обшивку дополнительно проверяем на местный изгиб от сосредоточенной силы как заделанную в местах приклеивания к рёбрам при расчётной ширине, равной 100 см. При этом должно выполняться условие:

Условие выполняется, следовательно плита выдержит местную нагрузку .

Проверяем скалывающие напряжения по клеевому шву фанерной обшивки. Поперечная сила равна:



Приведённый статический момент верхней обшивки относительно нейтральной оси равен:

Расчётная ширина клеевого соединения:

Определяем касательные напряжения:

Расчетное сопротивление фанеры скалыванию определяем по табл. 10 [1]

условие выполняется.

Проверка клеефанерной плиты на прочность

Проверяем относительный прогиб панели по формуле 6.8 [3]:

Условие выполняется, следовательно прогиб плиты меньше допустимого.

Вывод:

Запроектированная плита отвечает нормативным требованиям по прочности и пожесткости.

4. Расчет несущей конструкции покрытия

Статический расчёт фермы

Статический расчет фермы заключается в определении усилий в элементах фермы. При статическом расчете используем приёмы строительной механики. Расчётная погонная нагрузка на ферму составит:

Рис. 5 а) расчётная схема фермы, б) приведение расчётной нагрузки к узловой.

Узловая нагрузка:

Определяем опорные реакции:

Определяем усилия в первой панели справа:

Усилия во второй панели:

Усилия в третей панели:

Усилия в четвёртой панели:

Определяем усилия в стойках фермы:

Расчёт элементов фермы

Расчёт верхнего пояса ведем по наибольшему усилию в первой панели . Кроме того в поясе возникает изгибающий момент от вне узлового расположения клеефанерных плит покрытия. Определяем этот момент:

Верхний пояс проектируем из бруса сечением ; , .

Определяем гибкость по формуле 1.6 [4]:

,

где расчётная длина изгибаемого стержня верхнего пояса первой панели, ; радиус инерции сечения, для прямоугольного сечения .

Определяем коэффициент по формуле 1.14 [4]:

, где по табл. 3 [1].

Определяем напряжения по формуле 1.13 [4]:

где по табл. 3 [4].

Прочность верхнего пояса обеспечена.

Сечение нижнего пояса принимаем одинаковым с верхним - ; , . Расчёт ведём по наибольшему растягивающему усилию . Учитываем ослабление пояса двумя нагелями диаметром .

Напряжения растяжения определяем по формуле 1.1 [4]:

,

где расчётное сопротивление древесины на растяжение принятое по табл. 3 [1].

Первый раскос сжимается силой и имеет расчётную длину . Задаемся сечением . . Определяем гибкость:

. Согласно приложению 2 [4] .

Проверяем устойчивость по формуле 1.3 [4]:

,

где принято по табл. 3 [1].

Аналогично второй и третий раскосы:

, . Задаемся сечением: . . Определяем гибкость:

. Согласно приложению 2 [4] .

.

, . Задаемся сечением: . . Определяем гибкость:

. Согласно приложению 2 [4] .

.

Растягивающие усилия во второй стойке . По приложению 6 [4] принимаем тяж диаметром с несущей способностью по . Шайбы под тяж ставим размером .

Усилия в третей стойке . Принимаем тяж диаметром с несущей способностью по . Шайбы под тяж ставим размером .

Усилия в четвёртой стойке . Принимаем тяж диаметром с несущей способностью по . Шайбы под тяж ставим размером .

Расчёт узлов и стыков фермы.

Опорный узел решаем на металлических хомутах с тяжами из круглой стали.

Опорная реакция фермы .

Верхний сжатый пояс упирается во вкладыш. Площадь упора . Расчётное сопротивление смятию при направлении усилия под углом к направлению волокон вкладыша (приложение 4 [4], кривая 1) .

Проверяем вкладыш на смятие:

.

Натяжные хомуты опорного узла состоят из четырёх тяжей, стального упора в левой части и двух вертикальных уголков в правой части хомутов (см. рис. 6).



Рис. 6. Опорный узел на стальных натяжных хомутах.

На стальной упор, состоящий из двух вертикальных уголков и двух приваренных к ним горизонтальных траверс, через вкладыши передается горизонтальная составляющая усилия , равная , а на вертикальные уголки в правой части хомутов через деревянные накладки опорного узла, скреплённые с нижним поясом нагелями, передается от пояса уравновешивающее растягивающее усилие .

Требуемая площадь сечения нетто:

0,85 - коэффициент, учитывающий возможную неравномерность распределения усилия между тяжами.

По приложению 6 [4] принимаем тяж d = 20 мм с . Сечение накладок назначаем . Вкладыш высотой 20 см упирается в вертикальные уголки. Расстояние между осями тяжей в вертикальном направлении .

Изгибающий момент в вертикальном уголке, считая, что давление от вкладыша на уголок будет равномерным,

Принимаем уголки , с , .

Момент сопротивления уголка

Напряжение изгиба в уголке

Вертикальные уголки хомута у торцов накладок принимаем такими же: . Горизонтальные траверсы проектируем из двух сваренных вместе неравнобоких уголков , образующих коробчатое сечение. Для одного уголка

, , .

Момент инерции сечения траверсы:

Момент сопротивления

Расстояние между осями тяжей в плане

.

Длина площади опирания вертикальных уголков на горизонтальную траверсу

Изгибающий момент в траверсе

Напряжение изгиба

Накладки с поясом соединяем нагелями из круглой стали d = 20 мм.

Необходимое число нагелей:

, где 920 - несущая способность нагеля на один срез при толщине накладки .

Ставим 6 нагелей, из которых 4 - болта. Нагели размещаем соблюдая нормы расстановки (см. рис. 6)

Проверяем прочность нижнего пояса:

Опорная реакция фермы:

Требуемая ширина опорной подушки из условия смятия древесины поперек волокон:

Принимаем ширину подушки согласно сортаменту.

Промежуточные верхние узлы решаем на лобовых: врубках. Первый раскос примыкает к верхнему поясу под углом . Расчетное сопротивление смятию (приложение 4 [4]) .

Требуемая глубина врубки раскоса в пояс

. Принимаем .

В первом промежуточном узле сечение верхнего пояса ослаблено отверстием диаметром d = 14 мм для тяжа , врубкой снизу и врубкой сверху с целью создания горизонтальной площадки для укладки шайбы под тяж. При ширине шайбы глубина врубки сверху должна быть не менее , принимаем .

Площадь сечения пояса нетто

Напряжение сжатия

Второй раскос упирается в пояс под углом . Расчетное сопротивление смятию (приложение 4 [4]) .

Требуемая глубина врубки

, принимаем .

Глубина врубки сверху для укладки шайбы , принимаем .

Напряжение сжатия верхнего пояса во втором узле

У второго промежуточного узла устраиваем стык брусьев верхнего пояса. Стык выполняем простым лобовым упором и перекрываем парными накладками сечением , скрепленными с поясом болтами диаметром d = 12 мм. С каждой стороны стыка ставим по четыре болта.

Третий раскос упирается в пояс под углом . Расчетное сопротивление смятию (приложение 4 [4]) .

Требуемая глубина врубки

, принимаем .

Глубина врубки сверху для укладки шайбы , принимаем .

Напряжение сжатия верхнего пояса в третьем узле:

Коньковый узел также решаем лобовым упором с перекрытием стыка парными накладками. С каждой стороны стыка ставим по три болта диаметром d = 12 мм. Смятие брусьев в стыке по вертикальной плоскости не проверяем ввиду очевидного запаса прочности.

Угол примыкания первого подкоса к поясу в нижнем узле ,

Требуемая глубина врубки раскоса в нижний пояс

, принимаем

Проверяем прочность нижнего пояса по сечению в промежуточном узле. Расстояние между ослаблением врубкой и ослаблением отверстием для тяжа равно . Учитываем только ослабление врубкой .

Центр тяжести ослабленного сечения смещен относительно оси пояса на . Вследствие несимметричного ослабления врубкой в расчетном сечении возникает момент:

Момент сопротивления сечения нетто:

Напряжение по формуле (1.12) [4]:

Для изготовления нижнего пояса должны быть отобраны брусья, удовлетворяющие качественным требованиям, предъявляемым к элементам I категории [1].

У второго промежуточного узла в нижнем поясе устраиваем стык брусьев. Стык выполняем простым лобовым упором и перекрываем парными накладками сечением , скрепленными с поясом болтами диаметром d = 12 мм. С каждой стороны стыка ставим по четыре болта.

У третьего нижнего узла в средине панели устраиваем стык брусьев нижнего пояса. Его выполняем раздвинутым с длинными накладками из досок , соединенными с брусьями пояса нагелями диаметром d = 20 мм.

Требуемое число двухсрезных нагелей в стыке

, принимаем .

Здесь 920 - несущая способность нагеля на один срез при толщине накладки (приложение 5 [4]).

Расставляем нагели по два в ряд, соблюдая нормы расстановки: , , .

Для уменьшения дополнительных моментов, возникающих в месте перелома оси нижнего пояса, стыки располагаем как можно ближе к промежуточным узлам. Перелом оси возникает при придании ферме строительного подъема

.

Проверяем принятое сечение накладок стыка на разрыв по ослабленному нагелями сечению:

В среднем нижнем узле раскосы заходят в просвет между накладками раздвинутого стыка, упираясь один в другой и в шайбу среднего тяжа. Каждый раскос прикреплен к накладкам болтами диаметром d = 20 мм, работающими как двухсрезные нагели.

Болты рассчитываем на разность усилий в смежных панелях нижнего пояса при нагружении фермы односторонней временной нагрузкой по формуле (7.1) [4]:

, где .

Усилие, воспринимаемое болтами, передается под углом к направлению волокон древесины раскосов.

Расчетная несущая способность нагеля на один срез:

, где по табл. 2.2 [4]

Требуемое число нагелей:

Ставим в каждый раскос по два болта для закрепления проектного положения. Раскосы присоединяем к накладкам эксцентрично, так что в центре узла пересекаются не оси раскосов, а их верхние кромки. Тогда расстояние от точки взаимного пересечения осей раскосов до центра узла:

Изгибающий момент, возникающий в накладках вследствие эксцентричного прикрепления раскосов, по формуле (7.3) [4]:

Растягивающее усилие в нижнем поясе при односторонней временной нагрузке по формуле (7.2) [4]:

Момент инерции сечения накладок, ослабленного двумя отверстиями для нагелей:

Момент сопротивления

Напряжение в накладках по формуле (1.12) [4]:

.

7. Расчет стоек поперечной рамы

Сбор нагрузки на стойку рамы.

На стойку рамы действуют вертикальные и горизонтальные (ветровые) нагрузки. Вертикальная сжимающая сила равна опорной реакции фермы . Так как высота до низа стропильных конструкций , то ветровую нагрузку считаем равномерно распределенной по всей высоте стойки согласно [2].

Рис. 7 а) сбор нагрузок на поперечную раму; б) расчетная схема стойки.

Статический расчет стойки рамы.

Расчетная схема стойки рамы приведена на рисунке 7. За лишнюю неизвестную принимаем реакцию ригеля - продольное усилие в ригеле на уровне верха стойки, которое определяем по формуле

где ;

При расчете стойки, в виду ее малого веса, нагрузку от собственного веса не учитываем.

Определяем изгибающий момент в основании стойки:

Конструирование и расчет стойки рамы.

Высоту сечения стойки принимаем равной (два бруса по 25 см и один - 10 см), а ширину - .

Проверяем прочность стержня в плоскости изгиба.

Площадь сечения , момент сопротивления , радиус инерции относительно оси Х: , расчетная длина стержня .

Определяем гибкость стержня:

.

Определяем коэффициент по формуле 1.14 [4]:

.

Определяем напряжения по формуле 1.13 [4]:

Проверяем устойчивость стержня в плоскости, перпендикулярной плоскости изгиба.

Радиус инерции относительно оси Y: , расчетная длина стержня .

Определяем гибкость стержня:

, следовательно, увеличиваем ширину принятого сечения. Определяем требуемую ширину сечения стойки:

, принимаем .

Определяем коэффициент продольного изгиба по приложению 2 [4], принимая .

Напряжения по формуле 1.3 [4]:

Конструирование и расчет закрепления стойки рамы в фундамент.

Прикрепление стоек к фундаменту производится при помощи металлических анкеров (рис. 8). Усилия от анкеров передаются на накладки и связи, соединяющие накладки со стойками. В качестве связей используем нагели.

Расчётное усилие в анкерных болтах определяем при наиневыгоднейшем загружении - при максимальной ветровой нагрузке и минимальной вертикальной нагрузке, которая уменьшает растягивающее усилие в анкерах. Минимальная вертикальная нагрузка возникает при загружении рамы каркаса вертикальной нагрузкой от собственного веса покрытия и несущей конструкции без учета действия снеговой нагрузки:

,

По растягивающему усилию определяем диаметр анкерных болтов и число двухсрезных болтов, прикрепляющих накладки к стенке.

Рис. 8 Конструкция закрепления стойки в фундамент

По приложению 6 [4] принимаем тяжи d = 12 мм с .

Требуемое число двухсрезных болтов диаметром d = 12 мм:

Конструктивно принимаем 8 шт.

Расставляем болты по два в ряд, соблюдая нормы расстановки: , , .

8. Защита деревянных конструкций от загнивания и при транспортировке, складировании и хранении

Конструктивные меры должны обеспечивать предохранение древесины от непосредственного увлажнения атмосферными осадками, грунтовыми и талыми водами, промерзания, капиллярного и конденсационного увлажнения.

Деревянные конструкции должны быть открытыми, хорошо проветриваемыми, по возможности доступными для осмотра и возобновления защитной обработки. Опорные части несущих элементов должны быть не только антисептированы, но и защищены тепло- и водоизоляционными материалами.

В отапливаемых зданиях и сооружениях несущие конструкции (балки, рамы, арки, фермы и др.) следует располагать так, чтобы они целиком находились либо в пределах отапливаемого помещения, либо вне него.

При эксплуатации несущих конструкций в условиях, где возможно выпадение конденсата на металлических поверхностях, следует принимать меры по предохранению древесины от увлажнения в местах контакта с металлом. Для этой цели до постановки металлических деталей на место поверхности, контактирующие с древесиной, рекомендуется промазывать мастикой («Изол», «Вента», «Лило», Гиссар-1 (ТУ 21-27-89-90), тиоколовой и др.) таким образом, чтобы при постановке на место детали плотно прилегали к древесине, а мастика, выдавливаясь, хорошо заполняла зазоры между металлами, древесиной, при постановке крепежных деталей (уголков, болтов, и т.п.) вместо мастик можно использовать прокладки из рулонных гидроизоляционных материалов (изола, стеклорубероида, гидроизола и др.), эластичные прокладки и уплотнительные ленты.

Для защиты несущих и ограждающих конструкций от увлажнения должны применяться лакокрасочные материалы, тиоколовые мастики и составы на основе эпоксидных смол. а) Лакокрасочные материалы

1. Перхлорвиниловые эмали представляют собой растворы перхлорвиниловой смолы в смеси летучих органических растворителей с добавлением других смол, пластификаторов и пигментов.

Эмали: ХВ-110, ХВ-124, ХВ-1100, ХВ-5159, лак - ХВ-784. Благодаря устойчивости к постоянному воздействию атмосферных факторов покрытия ХВ-110, ХВ-124 и ХВ-1100 рекомендуются для защиты конструкций на открытом воздухе и под навесом.

2. Пентафталевые эмали (ПФ-115, ПВ-133, лак ПФ-170, ПФ-171) могут применяться для защиты деревянных конструкций на открытом воздухе и под навесом, а также в помещении как декоративно-отделочные и влагозащитные.

3. Уретановые и уретаново-алкидные (эмаль УР-49, лак УР-294, эмаль УРФ-1128 уретаново-алкидная) - для защиты конструкций, эксплуатируемых как под навесом, так и на рткрытом воздухе.

4. Масляно-смоляные лаки (ГФ-166, ПФ-283) - для защиты конструкций под навесом и на открытом воздухе.

II Тиоколовые мастики (марок У-30, У032) - рекомендуются для защиты торцов деревянных конструкций.

III. Составы на основе эпоксидных смол применяются для защиты торцов несущих деревянных конструкций (на основе смолы К-153 или 115, на основе шпатлевки ЭН-0010).

Химическая защита древесины необходима в тех случаях, когда её увлажнение в процессе эксплуатации неизбежно или когда используемая древесина имеет влажность более 20% (но не более 25%).

Химическая защита заключается в пропитке их ядовитыми для грибов веществами - антисептиками. Они разделяются на две группы: водорастворимые (неорганические) и маслянистые (органические).

Водорастворимые: Фтористый натрий, кремнефтористый натрий, а также КФ А, ТФБА, ББ-32, ХМБ-444, МБ-1, ХМ-3324. Маслянистые: каменноугольные, сланцевые масла, древесный деготь и т.д.

При проектировании предпочтительнее выбирать конструкции прямоугольного массивного сечения, поскольку они имеют относительно малую поверхность, смываемую воздухом.

При использовании ферм и арок с металлическими нижними поясами и затяжками рекомендуется устраивать подвесной потолок или экран из несгораемых или трудносгораемых материалов.

Плиты покрытий следует опирать непосредственно на несущие конструкции без использования прогонов. Ограждающие конструкции, особенно плиты покрытий, в пожарном отношении более опасны, чем несущие конструкции, и требуют особого внимания к вопросам защиты от возгорания. Для повышения огнестойкости ограждающих конструкций рекомендуется использовать обшивки и утеплители из несгораемых или трудносгораемых материалов, а сами плита с гладким потолком.

Для защиты конструкций от возгорания рекомендуется применить пропиточные и окрасочные составы.

Для глубокой пропитки древесины рекомендуются водорастворимые огнезащитные составы МС 1:1, МС 3:7, ББ-11, МБ-1. Для поверхностной огнезащитной пропитки рекомендуются составы МС и ПП. Обработанная указанными составами древесина относится к группе трудновоспламеняемых материалов.

В качестве огнезащитных покрытий для защиты древесины от возгорания рекомендуются покрытия на основе перхлорвиниловой эмали ХВ-5169, фосфатное ОФП-9, вспучивающееся ВПД.

При транспортировке конструкций рекомендуется укрывать их водонепроницаемой бумагой или полиэтиленовой пленкой, можно применять и гидроизоляционные материалы (пакеты конструкций). На плиты покрытий под рулонную кровлю рекомендуется прямо на заводе-изготовителе наклеивать первый слой рулонного ковра.

Конструкции, как несущие, так и ограждающие, рекомендуется хранить на базовых складах и закрытых помещениях или под навесом, на перегрузочных и приобъектных складах под навесом или на открытых площадках.

Список использованной литературы

1. СНиП II-25-80 «Деревянные конструкции».

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

3. Р.А. Галимшин Учебное пособие «Примеры расчета и проектирования конструкций из дерева и пластмасс», КГАСА, каф. Металлических конструкций и испытания сооружений, Казань, 2002.

4. В.Е. Шишкин «Примеры расчета конструкций из дерева и пластмасс», Москва, Стройиздат, 1974.

Размещено на Allbest.ru