Расчет и конструирование ограждающих конструкций покрытия

где l_y = Н_к/2 - расчетная длина колонны из плоскости рамы с учётом установки распорки посередине высоты колонны;

_max = 120 - предельная гибкость колонны.

Принимаем ширину сечения колонны 150 мм, что с учетом острожки досок по кромкам составит b=140 мм.

После назначения ширины сечения колонны надо проверить длину опорной плиты фермы l_пл по формуле:

l_пл,min=b+2(а_уг+1,5d_от)=14,0+2(3,0+1,51,5)=24,5 см,

где b=14,0 см - ширина сечения колонны;

а_уг=3,0 см - расстояние от края элемента крепления (уголка) до центра отверстия под болт;

d_от=1,5 см - предварительно принятый диаметр отверстия под болт, крепящий ферму к колонне.

Высоту сечения колонны принимаем из 16 досок толщиной 36 мм (после острожки).

Тогда высота сечения h=3616=576 мм.

Геометрические характеристики сечения:

A_d=14,057,6=806,4 см²,

W_d=14,057,6²/6=7741 см³,

I_z,sup=14,057,6³/12=223000 см⁴,

I_y,sup=57,614,0³/12=13170 см⁴.

Проверим сечение сжато-изогнутого элемента по формуле:

Таким образом:



l_d,z=_0,zl_z=2,2732,5=1611,15 см,

где _0,z=2,2 - при одном защемлённом и втором свободном конце стержня.

i_z==16,63 см;

_z=1611,5/16,6=96,9 < _max=120;

=76,95; k_c=76,95²/(296,9²)=0,31;

f_c,0,d=f_c,0,dk_хk_modk_hk/_n=150,81,20,970,98/0,95 = 14,41 Мпа

= 1,441 кН/cм²,

где: f_c,0,d=15 МПа - расчетное сопротивление сосны сжатию для 2-го сорта для элементов прямоугольного сечения шириной свыше 0,13 м при высоте сечения от 0,13 до 0,5 м;

k_х=0,8 - переходной коэффициент для пихты, учитывающий породу древесины;

k_mod=1,2 - коэффициент условий работы при учёте кратковременного действия ветровой нагрузки;

k_h=0,97 - коэффициент, учитывающий высоту сечения, при h=0,576 м > 0,5 м;

k=0,98 - коэффициент, учитывающий толщину слоя, при =36 мм.

_c,0,d=105,205/806,4=0,13 кН/cм²;

_m,d=3187/7741=0,411 кН/cм²;

f_m,d=f_c,0,d=1,441 кН/cм²;

k_m,c=1-0,108/(0,311,441)=0,708;



,

то есть принятое сечение удовлетворяет условиям прочности.

Как видно из расчёта на прочность недонапряжение составляет 58%, однако уменьшение высоты сечения по условию предельной гибкости невозможно.

Проверим принятое сечение на устойчивость плоской формы деформирования по формуле:

Исходя из предположения, что связи, уменьшающие расчётную длину колонн из плоскости изгиба, ставятся по середине их высот:

l_d,y=1(732,5/2)=366,2 см,

где _0,у=1,0 - при шарнирном закреплении концов стержня из плоскости изгиба;

i_y==4,04 см;

_y=366,3/4,04=90,65 < _max=120;

k_c=76,95²/(290,65)=0,326;

k_inst=140*b²*k_f/(l_dy*h)=1400,14²1,56/(0,53660,576)=2,03

где k_f=1,75-0,75=1,75-0,750,254=1,56

здесь =3.83/15.09=0,254 при моменте в опорном сечении М_d,оп=31.87 кНм и моменте по середине высоты колонны в той же стойке:

М_d,с=[(-1.553-0,11-0,26+1.4\636)3.66+0,6380,5²/2+0,75342,5]

0,9+0,723.66-4,745=5.67 кНм.

где: n=2 - показатель степени для элементов без закрепления растянутой зоны из плоскости деформирования.

Таким образом:

0,13/(0,3261,441)+[0,411/(2.030,7081,441)]²=0,315<1,

Т.е. устойчивость плоской формы деформирования колонны обеспечена.

Проверим сечение колонны на действие скалывающих напряжений при изгибе по формуле:

_v,0,d f_v,0,d,

где _v,0,d=V_dS_sup/(I_supb_d),

здесь V_d=V_d/k_m,c=4,96/0,708=7,05 кН - расчётная поперечная сила;

S_sup - статический момент брутто сдвигаемой части поперечного сечения колонны относительно нейтральной оси;

I_sup - момент инерции брутто поперечного сечения колонны относительно нейтральной оси;

b_d=b=14,0 см - расчётная ширина сечения колонны;

f_v,0,d=f_v,0,dk_хk_modk/_n=1,50,81,20,98/0,95=1,49 МПа,

здесь: f_v,0,d=1,5 МПа - расчетное сопротивление сосны 2-го сорта скалыванию вдоль волокон при изгибе клееных элементов;

k_х=0,8 - переходной коэффициент для пихты, учитывающий породу древесины;

k_mod=1,2 - коэффициент условий работы при учёте кратковременного действия ветровой нагрузки;

k=0,98 - коэффициент, учитывающий толщину слоя, при =36 мм .

Тогда с учётом того, что для прямоугольных элементов без ослаблений S_sup/I_sup=1,5/h, получаем:

_v,0,d=7,0051,5/(57,614,0)=0,013 кН/см²=0,13 МПа < f_v,0,d=1,49 МПа, т.е. условие выполнено.

4.5 Расчёт базы колонны

Жёсткое сопряжение колонны с фундаментом осуществляем с помощью анкерных болтов. Анкерные болты прикрепляются к стальной траверсе, укладываемой на скошенные торцы специально приклеиваемых по бокам колонны бобышек.

Расчёт сопряжения производим по максимальному растягивающему усилию при действии постоянной нагрузки с коэффициентом надежности по нагрузке _f=0,9 вместо среднего значения _f,ср=1,1 и ветровой нагрузки:

N_d=(++)_f/_f,ср=(20,725+11,38+6,68)0,9/1,1=31,73 кН,

М_d=(Q_d,w,3+F_Х,w,1+F_Х,w,2+F_Х,w,3)H+Q_d,w,1p²/2+

+Q_d,w,2(H-p)(H+p)/2+F_Х,стH_f/_f,ср+М_стf/_f,ср=

=(-1,533-0,11-0,26+1,636)7,4+0,6385²/2+0,753(7,4-5)

(7,4+5)/2+0,7537,40,9/1,1-4,7450,9/1,1=21,835 кНм.

Определяем расчётный изгибающий момент с учётом его увеличения от действия продольной силы:

_c,0,d=31,73/806,4=0,039 кН/cм²;

k_m,c=1-0,043/(0,311,441)=0,902;

М_d=М_d/k_m,c=21,835/0,902=24,20 кНм.

Для крепления анкерных болтов по бокам колонны приклеиваем по две доски толщиной 36 мм каждая. Таким образом, высота сечения колонны у фундамента составляет h_н=720 мм. Тогда напряжения на поверхности фундамента будут составлять:

_max-N_d/(bh_н)-6М_d/(b)=-31,73/(14,072,0)-62420/(14,072,0²)

-0,2315 кН/см²;

_min = -N_d/(bh_н) + 6М_d / (b) = - 31,73 / (14,0 72,0) + 6 2420 /

(14,072,0²) =0,1685 кН/см².

Для фундамента принимаем бетон класса С⁸/₁₀ с нормативным сопротивлением осевому сжатию f_ck=8,0 МПа.

Расчётное сопротивление бетона на местное сжатие:

f_cud=_uf_cd/_n=1,20,855,33/0,95=5,72 МПа=0,572 кН/см²,

где _u - коэффициент, учитывающий повышение прочности бетона при смятии, который принимаем равным 1,2;

=0,85 - коэффициент, учитывающий длительное действие нагрузки,;

f_cd=f_ck/_c=8/1,5=5,33 МПа - расчетное сопротивление бетона сжатию

здесь _c=1,5 - частный коэффициент безопасности по бетону.

Вычисляем размеры участков эпюры напряжений:

с_н=|_max|h_н/(|_max|+|_min|)=0,231572,0/(0,2315+0,1685)=41,61 см;

а_н=h_н/2-с_н/3=72,0/2-41,61/3=22,11 см;

у=h_н-с_н/3-z=72,0-41,61/3-3,5=54,61 см,

где z=3,5 см - принятое расстояние от края колонны до оси анкерного болта.

Находим усилие в анкерных болтах:



N_б=(М_d-N_dа_н)/у=(2420-31,7322,11)/54,61=31,467 кН.

Требуемая площадь сечения анкерного болта:

А_тр=N_бn/(n_бR_ba)=31,4670,95/(218,5)=0,8079 см²,

где n_б=2 - количество анкерных болтов с одной стороны;

R_ba = 185 Мпа = 18,5 кН/см² - расчётное сопротивление растяжению анкерных болтов из стали марки 09Г2С по ГОСТ 19281-89 [ГОСТ 24379.1-80]

Принимаем болты диаметром 12 мм с расчётной площадью поперечного сечения А_bn=0,84 см² [ГОСТ 24379.0-80].

Траверсу для крепления анкерных болтов рассчитываем как балку.

Изгибающий момент:

М=N_б(l_т-b/2)/4=31,46(17,0-14,0/2)/4=78,66 кНсм.

Из условия размещения анкерных болтов d=12 мм принимаем 706 с I_x=37,6 см⁴ и z₀=1,94 см (ГОСТ 8509-93) из стали класса С245.

Напряжения изгиба:

=М_n(b_уг-z₀)/I_x=78,660,95(7,0-1,94)/37,6=10,05 кН/см²=

=105,0 МПа < R_yc=2401,1=264 МПа,

где: R_y=240 МПа - расчетное сопротивление изгибу стали класса С245 толщиной от 2 до 20 мм;

_c=1,1 - коэффициент условий работы при расчёте стальных конструкций.

Проверяем прочность клеевого шва от действия усилия N_б. Для этого определяем расчётную несущую способность клеевого шва на скалывание по формуле:

R_v,d=f_v,mod,dA_v=0,187700=130,9 кН,

где f_v,mod,d - расчётное среднее по площадке скалывания сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон для клеевого шва, определяемое формуле:

f_v,mod,d=f_v,0,d/[1+(l_v/e)]=0,208/[1+0,125(50/55,43)]=0,187 кН/см²,

здесь

f_v,0,d=f_v,0,dk_хk_modk/_n=2,10,81,20,98/0,95=2,08 МПа==0,208 кН/см²,

где: f_v,0,d=2,1 МПа - расчетное сопротивление сосны 2-го сортам местному скалыванию вдоль волокон в клеевых соединениях;

k_х=0,8 - переходной коэффициент для пихты, учитывающий породу древесины;

k_mod=1,2 - коэффициент условий работы при учёте кратковременного действия ветровой нагрузки;

k=0,98 - коэффициент, учитывающий толщину слоя, при =36 мм .

=0,125 - коэффициент при обеспечении обжатия площадки скалывания;

l_v=50 см - принятая длина клеевого соединения, т.е. расстояние от подошвы фундамента до стальной траверсы;

е=у=55,43 см - плечо сил скалывания;

A_v=b_vl_v=14,050=700 см² - расчётная площадь скалывания,

здесь b_v=b=14,0 см - расчётная ширина участка скалывания.

Т.к. N_б=31,46 кН < R_v,d=130,9 кН, то прочность клеевого шва обеспечена.

Рисунок 4.1 - К расчёту базы колонны



5. Обеспечение пространственной жесткости здания при эксплуатации и монтаже

В зданиях и сооружениях плоские конструкции, соединенные между собой, образуют пространственную систему, которая должна воспринимать действующие на здание нагрузки. Усилия от нагрузок передаются с одной конструкции на другие, в конечном счете - на фундаменты.

Вертикальные и горизонтальные нагрузки, действующие на продольные стены здания, воспринимаются поперечными плоскими несущими конструкциями в виде двухшарнирных рам. Неизменяемость и устойчивость отдельных плоскостей каркаса обеспечивается постановкой в этих плоскостях связей.

В зависимости от назначения и места расположения, связи разделяются на следующие виды:

1. В покрытиях зданий поперечные связи в виде горизонтальных или наклонных ферм располагают в плоскости верхних поясов или верхних кромок несущих конструкций, находящиеся у торцов здания. В длинных зданиях поперечные связи ставят также между торцевыми на расстоянии не более 30 метров.

Связи рассматривают как горизонтально расположенные фермы, у которых поясами служат верхние пояса решетчатых или всё сечение сплошных несущих конструкций. Стойками являются прогоны или ребра плит покрытия, либо распорки, а раскосы выполняют деревянными по распорной или перекрестной схеме или из стальных тяжей по перекрестной схеме.

2. Продольные вертикальные связи располагают перпендикулярно к несущим конструкциям покрытия или каркасных стен. Они предназначены для сохранения проектного положения плоских несущих конструкций при эксплуатации и монтаже и для обеспечения устойчивости плоских несущих конструкций в плоскости перпендикулярной к их рабочей плоскости. Их устанавливают в середине пролета ферм покрытия.

Продольные связи ставят в стойках рам. Располагают их в тех же отсеках, где установлены поперечные связи покрытия. Конструкцию продольных связей принимают в виде простейших ферм, а при невозможности установки раскосов в виде сложных балок.

3. Горизонтальные связи, располагаемые в плоскости нижних поясов из профилированной стали для восприятия тормозных усилий от кранов.

Элементы всех видов связей соединяют с несущими конструкциями с помощью стальных крепежных деталей. Оси связей рекомендуется центрировать в узлах крепления к несущим конструкциям. Допускается центровать на кромку несущих конструкций при условии, что жесткость элементов связей меньше жесткости пояса несущей конструкции.



6. Мероприятия по защите деревянных конструкций от гниения и возгорания

Древесина является гигроскопичным материалом, способна поглощать влагу и отдавать её в воздушную среду. При этом происходит деформации называемые - разбуханием или усушкой, которые вызывают расстройство узлов конструкций, растрескивание элементов и их коробление, снижение прочности клееных конструкций и т.п. При повышенной влажности (>20%) развиваются грибки, которые приводят к биологическому разрушению древесины. Увлажнение древесины снижает и механические свойства. В зданиях и сооружениях при строительстве и эксплуатации возникают много источников увлажнения древесины: начальное и построечное, гидрогеологическое, от атмосферных осадков, от эксплуатационной влаги помещений при мокрых технологических процессах, при неисправности трубопроводов, конденсационное и др.

Для защиты древесины и древесных материалов, предусматривают от увлажнения конструктивные меры и защитную обработку. эти меры применяют при складировании, транспортировании и монтаже, а также при эксплуатации.

Конструктивные меры осуществляют во всех зданиях и сооружениях независимо от их назначения и срока службы, в тех случаях, когда конструктивными мерами не удается устранить увлажнение древесины, применяют химические меры поверхностной защиты от влаги или от биоразрушения.

Конструкции выполняют открытыми, хорошо проветриваемыми, доступными для осмотра, ремонта и последующей химической обработки. Рекомендуется их располагать таким образом, чтобы они находились целиком в пределах отапливаемого помещения, либо вне его. Если это невозможно, места перехода конструкций из отапливаемого помещения с наружи защищают специальными бандажами. Зазоры между поверхностями конструкций и стенками отверстий утепляют и герметизируют.

Покрытия с деревянными конструкциями проектируют только с наружным отводом атмосферных вод. Устройство парапетов и ендов запрещается.

Ограждающие конструкции отапливаемых зданий должны иметь достаточную термоизоляцию (с холодной стороны). Внутреннее пространство ограждений должно сообщатся с наружным воздухом.

Опорные части несущих конструкций при расположении их в гнёздах каменных стен выполняют открытыми. Заделка наглухо запрещена. Задние стенки гнезд закрывают минеральным утеплителем. Несущую конструкцию изолируют от стены гидроизоляционным материалом. Опорные узлы со стальными башмаками рекомендуется ставить на приставные колонны или пилястры. Изоляционные прокладки или подушки защищают от биоразрушения и изолируют. Поверхность фундамента, на которую опираются деревянная конструкция, располагают выше пола не менее чем на 15 см, а при расположении с наружи не менее чем на 50 см.

Верхнюю поверхность подвесных перекрытий располагают ниже несущей конструкции не менее чем на 15 см.

Стеки между утепленными плитами и панелями утепляют и герметизируют.

Ответственные части конструкции, места соприкосновения дерева с металлом, камнем и бетоном, концы клееных элементов находящихся на открытом воздухе защищают бандажами и специальными составами.

Для защиты от биоразрушений применяют различные составы антисептиков, которые подбираются в зависимости от вида конструкции и условия её эксплуатации.

Клееные конструкции защищают от биоразрушений обязательно при относительной влажности воздуха более 60%, а также в том случае, если в процессе эксплуатации они могут увлажняться.

Рекомендации по защите древесины конструкций от увлажнения и биоразрушения приводятся на рабочих чертежах проекта.

Защита от огня.

Различают две фазы горения древесины:

Первая - пламенное горение, когда газообразные продукты сгорают в воздухе.

Вторая - тление угля на поверхности элементов. Скорость обугливания древесины зависит от количества поступающего кислорода, форм и размеров поперечного сечения элементов, породы и влажности древесины.

Здания и сооружения по классу огнестойкости подразделяются на 5 степеней, которые определяют по пределам огнестойкости основных строительных конструкций и пределам распространения огня, т.е. характером и размером повреждений конструкций вследствии их горения.

Пожарная безопасность деревянных конструкций может быть повышена конструктивными и химическими способами. Конструктивные способы заключаются в создании таких решений, при которых преграждается распространение огня, а предел огнестойкости повышается, например устройство противопожарных преград в виде брандмауэрных стен, несгораемых зон или преград в покрытиях и перекрытиях, установка несгораемых диафрагм в покрытиях, площадь между которыми принимают не более 54 м², заполнение пустот несущих конструкций (фанерных балок коробчатого сечения) минераловатными материалами, разделок дымоходов, увеличения сечения деревянных клееных элементов и т.д.

С помощью химических мер огнезащиты понижается возгораемость древесины, к ним относятся: пропитка или обработка древесины антипиренами, огнезащитными красками, защита штукатуркой или листовыми несгораемыми материалами.



Список литературы

1. ТКП 45-5.05-146-2009 Деревянные конструкции. Строительные нормы проектирования. Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь.

2. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования. - М., 1986.

3. СНиП 11-23-81. Стальные конструкции. Нормы проектирования - М., 1982.

5. Гринь И.М. Строительные конструкции из дерева и синтетических материалов. Проектирование и расчет: Учеб. пособие для строительных вузов и ф-тов. - 2-е изд., перераб. и доп. Киев - Донецк: Вища школа, Головное изд-во, 1979. - 272 с.

6. Расчёт стальных конструкций: Справ. пособие / Я.М. Лихтарников, Д.В. Ладыженский, В.М. Клыков. - 2-е изд, перераб. и доп. - К.: Будiвельник, 1984. - 368 с.

Размещено на Allbest.ru