Скачать

Проектирование поперечной ломано-клееной рамы

Конструкции из дерева относятся к классу легких строительных конструкций, применение которых является одним из важных направлений по пути к эффективности и ускорению строительного процесса.

Древесина обладает следующими достоинствами:

1. малые энерго- и трудозатраты на ее изготовления;

2. малый коэффициент линейного расширения;

3. малый коэффициент теплопроводности;

4. экологический чистый материал.

К недостаткам можно отнести:

1. Гниение

2. Горение.

Древесина надежно склеивается синтетическими клеями. Благодаря этому изготавливаются клеенодеревяные элементы крупных сечений, больших длин и форм. Из таких элементов изготавливают объекты больших пролетов. Применение деревянных конструкций снижает массу зданий и сооружений, повышает капитальность и длительность эксплуатации. Уменьшают трудоемкость при возведении зданий и сооружений.

В данном курсовом проекте необходимо запроектировать несущие конструкции гражданского здания рамной системы:

- дощатоклееная трехшарнирная рама с зубчатым соединением стоек и ригеля (2 опоры и конек);

- настил двойной, прогон неразрезной;

- пролет 22м;

- шаг несущих конструкций 3,3 м;

- высота до низа несущих конструкций – 8,0 м;

- условия эксплуатации – Б3;

- Общая длина здания -36,3 м.

1. Расчет конструкций покрытия

Выбор конструктивной схемы:

Расчет настила двойного из древесины выполняют на прочность и прогибам при изгибах. В устройстве покрытия поверх настила укладывают утеплитель, как правило, из негорючего материала – фибролита, пеностекла и т.д. При изготовлении устраивают ровную поверхность из твердого листового материала (фанера или доски), которые обеспечивают их надежную прочность и крепление к каркасу.

Дощатые настилы состоят из досок на гвоздях и укладывают на прогоны при расстоянии между ними не более 3,3 м.

Принимаем двойной перекрестный настил, состоящий из 2-х слоев: нижнего - рабочего и верхнего – защитного (рис. 1.1). Защитный выполнен из сосновых досок 2-го сорта с обязательной пропиткой защитным составом. Минимальная толщина 16 мм и ширина 100мм. Их укладывают на рабочий (более толстый) настил под углом 45°-60° и крепят гвоздями.

Рис. 1.1 - Дощато-гвоздевой щит настила покрытия

Рис. 1.2 - Расчетные схемы настилов: а) – схема усилий первого сочетания нагрузок; б) – схема усилий второго сочетания нагрузок

Расчетная схема дощатого настила (рис. 1.2) представляет собой двухпролетную шарнирно опертую балку с пролетом l (неразрезная). В качестве условной длины пролетов принимаем горизонтальную проекцию, расстояние между его опорами L (в нашем случае при скатном покрытии с углом наклона ά) l=L х cos ά. Расчетную ширину настила принимают условно В=1,5 м, уклон кровли i =1: 4. ά=14°; sin ά= 0,25, cos ά.=0,97. Шиты настила длиной в 3,3 м, опираются на прогоны, расположенные с шагом L=1,5м,

l=L х cos ά =1,5 х 0,97=1,45 м

Сбор нагрузок.

Таблица 1.1

Сплошной косой защитный настил из досок сечением 10 х1,6 см прибит под углом 45°. Подбор сечения рабочего настила при 1-м сочетании расчетных нагрузок

g = g_пост + S^н =0,881+1,8=2,681кН/м²

Расчетный изгибающий момент в сечении над средней опорой:

M= =0.000705МН м

Т.к. принимаем древесину 2 сорт, расчетное сопротивление изгибу R_u=13МПа

Требуемый момент сопротивления:

принимаем доски сечением bхh 10х2,5 см

Требуемая общая ширина досок на полосе шириной 1 м

шаг расстановки досок:

Проверка несущей способности настила при втором сочетании расчетных нагрузок от собственного веса g=0,881 кН/м и веса 2-х человек с грузами Р=1,2х2=24 кН, приложенного на расстоянии от крайней опоры :

а =0,43х l = 0,43 х 1,45=0,625 м.

Максимальный изгибающий момент, возникающий в сечении под грузом:

М=0,07 х g х l²=0,21хРх l=0,07х0,881х1,45²+0,21х2,4х1,45=0,8605кН х м=0,0008605 МПа∙м

Расчетное сопротивление изгибу с учетом кратковременного действия сосредоточенной силы:

R_u^´= R_u х M_u=13 х1,2 =15,6 МПа

Напряжение δ= МПа> R_u^´

Следовательно, необходимо:

1) использовать древесину 1-го сорта для рабочего настила, учитывая, что у первого сорта R_u=14 МПа;

R_u^´= R_u х M_u=14 х1,2 =16,8 МПа

Тогда:

δ=15,8 МПа < R_u^´=16,8 МПа

или

2) уменьшить расстояние между прогонами.

Выбираем первый вариант: использовать древесину первого сорта.

Прочность обеспечена.

Проверяем прогиб при первом сочетании нормативных нагрузок от собственного веса и веса снега:

=0.002МН/м

Момент инерции:

Модуль упругости фанеры Е_ф=9000МПа.

Относительный прогиб настила (максимальный):

Следовательно, относительный max прогиб настила удовлетворяет требованием

Двойной перекрестный настил рассчитывается на изгиб только рабочего настила и только от нормальных составляющих нагрузок, поскольку скатные составляющие воспринимаются с помощью защитного настила.

Сосредоточенный груз распределяется на ширину 0,5 м, поэтому расчетную ширину входят удвоенные величины Р=2,4 кН.

Соединительные гвозди слоев настила работают со значительными запасами прочности, т.к. уклоны и нагрузки не являются максимальными. Поэтому расчет на скатные составляющие нагрузок не производится.

2. Расчет неразрезного спаренного прогона из досок

Прогон рассчитывается как многопролетную неразрезную шарнирно опертую балку. Пролеты прогона принимаем равные по всей длине шагу несущих конструкций по 3,3 м. Нагрузка от покрытия на 1 пог. м прогона

;

.

Предварительно задаемся значением собственного веса 1 м погонной длины прогона (кН/м): ; .

снеговая нагрузка на прогон: ; .

Нормальная составляющая действующей нагрузки на грузовую полосу шириной 1,5 м (кН/м):

(3,0+1,89+0,1)0,995=4,97;

4,022+0,11+2,7=6,832.

Расчетный изгибающий опорный момент:

По сортаменту пиломатериалов принимаем сечение из двух досок размером 50х175 мм при W = 510 см².

Крайние пролеты прогона усиливаем третьей доской того же сечения.

Прогиб в крайнем пролете прогона:

Производим расчет гвоздевого стыка прогонов. Принимаем гвозди диаметром 4мм и длиной 100мм.

Расстоянии между гвоздями вдоль волокон древесины:

Толщина элементов прогона: а = 4см.

Расчетная несущая способность гвоздя в несимметричном односрезном соединении (рис. 2.1):

0,35х4х0,4=0,56 кН

количество гвоздей:

Рис. 2.1 - Расчетная схема неразрезного спаренного прогона

3. Расчет трехшарнирной дощатоклееной рамы с зубчатым соединением стоек и ригеля

Пролет рамы L=22м, высота в коньке f=8м, шаг рам 3,3м. Для определение усилий в раме устанавливают положение ее оси. Для этого предварительно задаются размеры сечения. Детали рамы изготавливают из досок в виде полурам Г- образной формы, с последующим соединением тремя шарнирными узлами – двумя опорными и одним коньковым.

3.1 Нагрузки на раму

Нормативная нагрузка от веса панели покрытия: q^н=0,739 кН/мг. Нормативное значение собственного веса рамы из эмпирической формулы:

=14°-уклон ригеля;

S_н = 1,26 кН/м²- нормативная снеговая нагрузка;

S_o-нормативное значение веса снегового покрова на 1 м² покрытия для данного района.

- коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытия . =1.

K_св=7 коэффициент собственного веса рамы (5-7).

Таблица 3.1

Расчетная нагрузка на 1 м горизонтальной проекции рамы:

Постоянная: q=(q^н+q^c)∙l=(1,18+0,31)∙3.3=4.92 кН/м²;

Снеговая: 1.8∙3.3=5.94 кН/м²;

Ветровая: Может не учитываться, поскольку благодаря откосу ветра на кровле она не увеличивает усилия в элементах рамы.

Полная: кН/м²;

3.2 Геометрические размеры рамы

Геометрический расчет оси левой полурамы в прямоугольных координатах с началом в центре опоры (рис. 3.1.).

Рама имеет следующие размеры:

Пролет – L=22м, длина полупролета – L/2=22/2=11м;

Высота рамы в коньке – f = 8м;

Уклон ригеля – 1:4;

Высота рамы в карнизе по внешнему габариту

; м.

Поперечное сечение стоек и ригелей – прямоугольное с постоянной шириной b = 140 мм, полученной после фрезеровки досок шириной 150 мм (ГОСТ 24454-80*) и переменной высотой.

Соединение ригеля и стойки в карнизном узле выполняются с помощью зубчатого клеевого шипа по всему сечению (рис. 3.1).

Рис. 3.1 - Общий вид рамы

Ригель и стойка изготовляются путем распиловки прямоугольных пакетов, склеенных из сосновых досок толщиной 33 мм (после фрезерования досок толщиной 40 мм).

Предварительно принимаем сечение в карнизном узле из 40 слоев по 33 мм, т.е. h_у = 40·33 = 1320 мм, что составляет около l/17 и соответствует общепринятым допускаемым пределам (1).

В пяте стойки рамы принимаем высоту сечения h_п≥ 0,4h_y, а в коньке h_к ≥ 0,3h_y, (5).

Принимаем h_п = 17·33 = 561 мм > 0,4h_y = 0,4·1320 = 528 мм.

h_к = 13·33 = 429 мм > 0,3h_y = 0,3·1320 = 396 мм (6),

Высота биссектрисного сечения рамы

,

где

.

Определяем остальные размеры рамы.

Обозначим высоту между внешним и внутренним биссектрисным сечением буквой «а», тогда это расстояние будет равно:

; м.

Обозначим расстояние по высоте между внешней точкой карнизного узла и серединой конькового узла у', тогда

м.

Если обозначить расстояние по высоте между серединами карнизного и конькового узлов через букву «с», будем иметь:

м.

Для расчета рамы нам необходимо определить координаты середины биссектрисного сечения у и х, которые равны:

м,

м,

тогда длина стойки по осевой линии

м,

длина ригеля по осевой линии

м,

где м.

Угол наклона осевой линии ригеля к горизонтали у = 9º30' из соотношения .

Стрела подъема рамы расчетного сечения (по осевой линии)

м.

Расчетный пролет рамы: м.

С учетом предварительно принятых размеров элементов рам получим геометрическую схему, приведенную на рис. 3.2.

Рис. 3.2 - Геометрическая схема рамы

3.3 Статический расчет рамы

Максимальные усилия возникают в карнизном узле рамы при действии полной расчетной нагрузки (постоянной и временной) по всему пролету рамы: q = 10,86 кН/м.

Опорные реакции:

Вертикальные кН

Горизонтальные - (распор)

кН.

На рис. 3.2 представлен карнизный узел, в котором определяем расчетные усилия.

Усилия в расчетном сечении 1-1 (х = 0,3795 м; у = 4,406 м) по оси биссектрисы карнизного узла (рис. 3.2).

Изгибающий момент

кН·м

Продольная сила:

где φ=(90⁰+14⁰02`)/2