Кафедра «Строительные конструкции, здания и сооружения»

УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

(ДВГУПС)

Кафедра «Строительные конструкции, здания и сооружения»

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

КОНСТРУКЦИИ ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАСС

на тему: «Проектирование деревянных несущих конструкций покрытия одноэтажного производственного здания.

Вариант 9»

КР 08.03.01.к403.ПЗ – БО441ПГС

Разработал	___________	А.В. Курилко
Руководитель	___________	А.В. Самодина

Хабаровск 2020

Содержание

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….3

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ………………………………………………………4

2. НАЗНАЧЕНИЕ РАЗМЕРОВ ПОПЕРЕЧНОЙ РАМЫ………………………4

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ПОКРЫТИЯ……….7

3.1 Назначение размеров конструкций покрытия………………………….7

3.2 Расчет дощатого настила………………………………………………...8

3.2.1 Сбор нагрузки……………………………………………………8

3.2.2 Расчёт настила……………………………………………………9

4 РАСЧЕТ ПРОГОНОВ КРОВЛИ…………………………………………….12

4.1 Назначение конструкции прогонов кровли……………………………12

4.2 Сбор нагрузок на прогон……………………………………………….13

5 РАСЧЕТ ФЕРМЫ ПОКРЫТИЯ…………………………………………….16

5.1 Сбор нагрузки на ферму…………………………………………………16

5.2.Определение усилий в ферме методом вырезания узлов………………17

5.3.Расчёт элементов фермы………………………………………………….18

5.3.1. Расчёт верхнего пояса…………………………………………...18

5.3.2. Расчёт нижнего пояса…………………………………………..25

5.3.3. Расчёт стоек…………………………………………………….26

5.3.4. Расчёт раскосов………………………………………………….27

5.3.5. Расчёт и конструирование узлов фермы………………………27

5.3.5.1. Карнизный узел………………………………………..27

5.3.5.2. Промежуточный узел верхнего пояса…………………32

5.3.5.3. Промежуточный узел нижнего пояса…………………33

5.3.5.4. Коньковый узел…………………………………………36

5.3.5.5 Опорный узел……………………………………………38

5.4.Весовые показатели фермы………………………………………………40

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………………43

ВВЕДЕНИЕ

Среди других видов составных стоек деревянные решетчатые стойки обладают наибольшей несущей способностью и могут применяться в качестве опорных конструкций в пролётах зданий и мостовых кранов грузоподъёмностью до 10 т.

Деревянные решетчатые стойки относятся к конструкциям построечного изготовления, которые оказываются эффективными там, где древесина является местным строительным материалом.

Целью курсовой работы является проектирование конструкций одноэтажного производственного здания с мостовыми кранами, включая компоновку поперечной рамы, расчёты несущих конструкций покрытия в виде настила и прогона кровли, стропильной металлодеревянной фермы с подбором сечений поясов и решётки, разработкой узлов фермы, а также расчётом деревянной решетчатой стойки поперечной рамы и элементов её крепления к фундаменту.

Все расчёты выполнены с соблюдением международной системы единиц СИ.

 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Пролёт поперечной рамы 22 м;

Шаг рам 5 м, длина здания 65 м;

Отметка головки рельса –  6 м;

Два мостовых крана грузоподъёмностью 10 т;

Материал ригеля и стоек – брус,

Материал настила и прогонов – доски;

Порода древесины – сосна, сорт – 1;

Режим работы: температура 20°С, влажность 70 %;

Средства соединения – нагели и гвозди;

Стеновое ограждение – из сборных панелей;

Район строительства – по снеговой нагрузке – 2-й,

по ветровой нагрузке – 3-й (г. Биробиджан).

2   НАЗНАЧЕНИЕ РАЗМЕРОВ ПОПЕРЕЧНОЙ РАМЫ

Схема поперечной рамы каркаса представлена на рисунке 2.2.

Высота подкрановой части решетчатой стойки:

Н_н = ОГР -  -  = 6 – 0,15 – 0,15 – 0,225 – 0,2 = 5,275 м ≈ 5,3 м

где  – высота рельса;

h_ш – высота шпалы;

h_пб – высота верхнего пояса шпренгельной подкрановой балки;

h_ф – высота выступающей части фундамента.

Рисунок 2.1 Узел сопряжения подкрановой балки со стойкой

Высота надкрановой части стойки

Н_в =  +  = 0,225 + 0,15 + 0,15 + 1,9 + 0,1 + 0,1 + +0,08 = 2,705 м ≈ 2,8 м,

где  – высота крана;

 – габарит приближения крана;

 – габарит нижнего пояса фермы;

 – предельный прогиб фермы, определяемый по формуле:

Высота здания до низа фермы (полная высота колонны):

Н = Н_н + Н_в = 5,3 +2,8 = 8,1 м

Расстояние между осями ветвей стойки:

Значение принимается кратно 250 мм h₀ = 1 м.

Пролёт крана

Основные параметры крана по ГОСТ 25711–83: грузоподъёмность Q =10 т, база А_к = 4,4 м, ширина В_к = 5,4 м, высота Н_к = 1,9 м, давление на колесо крана Р_max = 95 кН, масса тележки g_m = 2,4 т, масса крана G_к = 15,8 т.

Рисунок 2.2 Схема поперечной рамы

Расчет дощатого настила

Сбор нагрузки

При влажностном режиме эксплуатации конструкций  группа температурно-влажностных условий конструкций –  [1, табл. 1]. Плотность массы древесины равна 600 кг/м³.

Принимается рабочий разряженный настил из досок

расположенных с зазором .

Тогда нормативная нагрузка от полосы рабочего настила, шириной , равна:

Для снегового района расчётная снеговая нагрузка на поверхности земли равна

Нормативная [2, п. 10.1]:

Погонная нагрузка в полосе настила шириной  приведена в таблице 3.1.

 

Таблица 3.1 – Сбор нагрузки на рабочий настил

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка,		Расчётная нагрузка,
Трёхслойная рулонная кровля	0,09	1,3	0,116
Защитный настил	0,129	1,1	0,142
Рабочий настил	0,073	1,1	0,081
Итого: постоянная нагрузка	0,292	-	0,339
Снеговая нагрузка	0,99	1,4	1,386
Итого: полная нагрузка	1,282	-	1,725

 

Расчёт настила

Настил рассчитывается по схеме двухпролётной неразрезной балки. Изгибающий момент на промежуточной опоре при первом сочетании нагрузок

(постоянная и временная от снега) равен:

Расчетная схема изображена на рисунке 3.2.

 

Рисунок 3.2 Первое сочетание нагрузок

Изгибающий момент в пролёте при втором сочетании нагрузок (постоянная и временная от сосредоточенного груза в ) равен:

где  – расчётная сосредоточенная нагрузка, приходящаяся на ширины настила при наличии косого защитного настила, когда нагрузка в передаётся на ширину настила, равную  (коэффициент надёжности по нагрузке равен ):

Тогда:

Расчетная схема изображена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 Второе сочетание нагрузок

 

Проверка прочности.

По максимальному моменту определяем требуемый момент сопротивления:

где  – коэффициент условия работы настила с учётом кратковременного действия нагрузки;

 

 – расчётное сопротивление древесины сосны 1 сорта при изгибе (с учетом коэффициентов m_п =1,0 и m_в = 1,0).

Тогда:

Момент сопротивления принятой конструкции настила равен:

Запас прочности не должен превышать 5 %.

Проверка запаса прочности:

Условие прочности не выполняется, необходимо увеличить величину зазора.

.

Тогда нормативная нагрузка от полосы рабочего настила равна:

Расчетная постоянная нагрузка равна 0,369 кН/м;

Расчетная полная нагрузка равна 1,711 кН/м.

 

Условие прочности выполняется.

Проверка прогиба настила.

Прогиб настила не должен превышать  пролета:

где  – модуль упругости древесины для 1 сорта, принимаемый по [1, табл. В.2а];

 – момент инерции настила:

Условие выполняется с большим запасом. Уменьшение сечения настила по условию прочности невозможно.

РАСЧЕТ ПРОГОНОВ КРОВЛИ

Сбор нагрузок на прогон

Сбор нагрузок на прогон выполнено в табличной форме (таблица 4.1).

Таблица 4.1 - нагрузки на прогон

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка, кН/м	g f	Расчётная нагрузка, кН/м
1. Трёхслойная рулонная кровля 0,09 × 1,383	0,124	1,3	0,161
2. Защитный настил 0,129 × 1,383	0,178	1,1	0,196
3. Рабочий настил 0,07 × 1,383	0,101	1,1	0,111

 

Окончание таблицы 4.1

4. Утеплитель 1 × 1,383 × 0,08	0,111	1,3	0,144
5. Пароизоляция 0,03 × 0,995 × 1,383	0,041	1,3	0,054
6. Доски подшивки 1,383 × r × d × cosa = 0,6 × 9,81 × 0,03 × ×1,5 × 0,995	0,243	1,1	0,267
7. Прогон из спаренных досок 0,6 × 9,81 × 0,1 × 0,25	0,147	1,1	0,162
ИТОГО: постоянная нагрузка	0,945	-	1,095
8. Снеговая нагрузка s = 1,5 × s 0 × cosa = 1,383 × 1 · 0,995	1,376	1,4	1,924
Итого: полная нагрузка	2,332	-	3,022

 

Вычисляем момент на промежуточных опорах:

Момент сопротивления сечения .

Момент инерции .

Проверка прочности: >

Следовательно, прочность на промежуточных опорах не обеспечена. Необходимо изменить сечение. Примем размеры сечения 50 х 200 мм.

Момент сопротивления сечения .

Момент инерции .

Проверка прочности: <

Следовательно, прочность на промежуточных опорах обеспечена с большим запасом. Уменьшение сечения невозможно.

Проверка прогиба: .

Выполняем проверки прочности и прогиба в крайних пролётах.

Момент на первой промежуточной опоре

.

Проверка прочности:

Проверка прогиба в крайнем пролёте:

.

Проверка выполняется.

Рассчитываем гвоздевой забой в стыке прогона.

Расстояние от оси опоры до стыка (длина консоли)

. Принимаем .

Расстояние от оси опоры до центра размещения гвоздей  при однорядной их расстановке

Несущая способность одного среза гвоздя

.

 

Требуемое количество гвоздей с каждой стороны стыка

.

Принимаем 6 штук.

Рисунок 4.2. Расположение гвоздей

РАСЧЕТ ФЕРМЫ ПОКРЫТИЯ

Сбор нагрузки на ферму

Сбор нагрузки на ферму приведён в таблице 5.1.

Таблица 5.1 – Сбор нагрузки на ферму

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка,		Расчётная нагрузка,
Вес кровли, настила, прогонов и утеплителя при шаге прогонов	= 0,687	-
Собственный вес фермы	0,141	1,1	0,155
Итого: постоянная нагрузка	0,828	-	0,951
Снеговая	1	1,4	1,4
Итого: полная нагрузка	1,828	-	2,351

 

Усилия от снеговой нагрузки определяются по двум схемам: на всем пролете и на половине пролета фермы.

Геометрические размеры фермы представлены на рисунок 5.1.

 

 

Рисунок 5.1. Схема фермы

Нагрузка на верхний узел фермы.

- от постоянной нагрузки:

- от веса связей (по эскизному расчёту):

- от постоянной нагрузки, включая вес связей:

- от снега:

- полная:

Расчёт элементов фермы

Расчёт верхнего пояса

Верхний пояс принят из четырёх блоков длиной по  и рассчитывается как сжато-изгибаемый стержень на продольное усилие:

и местную поперечную нагрузку:

В расчёте учтено, что на пояс приходится 2/3 полного веса фермы.

Изгибающий момент от поперечной нагрузки равен:

С целью уменьшения поперечного изгиба узлы верхнего пояса конструируются с внецентренной передачей продольных усилий и так, чтобы появлялся разгружающий момент. Конструктивно это достигается смещением площадок смятия в узлах на величину эксцентриситетаотносительно геометрической оси элемента.

Принимаем величину момента от поперечной нагрузки с учётом разгружающего момента:

Тогда:

Примем ширину сечения пояса, равной:

С помощью формулы расчёта бруса на сжатие с изгибом определим высоту сечения бруса:

где  – площадь сечения верхнего пояса:

 – момент сопротивления сечения верхнего пояса фермы:

 – коэффициент, учитывающий дополнительный момент при внецентренном сжатии (в первом приближении );

 – коэффициент для расчета изгибаемых составных элементов, при пролёте  [2, табл. 15]:

 – расчётное сопротивление сосны на сжатие.

Тогда получим и решим квадратное уравнение:

Принимаем верхний пояс из двух брусов, сечением:

Тогда высота сечения верхнего пояса равна:

Площадь поперечного сечения пояса фермы равна:

Момент сопротивления, как для цельного сечения, равен:

Гибкость составного сечения верхнего пояса фермы с учётом податливости соединений вычисляется по формуле:

где  – гибкость цельного сечения:

 – коэффициент приведения гибкости составного элемента:

где  – расчётное количество швов в элементе, определяемое числом швов, по которым суммируется взаимный сдвиг элементов;

 – расчётная длина элемента;

 – число нагелей на панели, при шаге в S :

 

Принимаем:

 – коэффициент податливости соединения дубовыми пластинчатыми нагелями:

 – толщина и ширина пластинчатых нагелей в .

 

Принимаем:

Тогда:

Коэффициент приведения гибкости составного элемента равен:

 – гибкость отдельной ветви, вычисленная по расчетной длине ветви:

 – расчётная длина ветви, так как стяжные болты расположены на опорах и в середине пролёта, то она равна:

Тогда:

В итоге, гибкость составного сечения верхнего пояса фермы равна:

 

Вычислим коэффициент, учитывающий дополнительный момент при внецентренном сжатии:

 

 

Принимаем эксцентриситет, равным 0,25h_бр:

Тогда изгибающий момент равен:

Выполним проверку прочности пояса при загружении снегом всего пролёта фермы:

Следовательно, прочность обеспечена.

Далее, произведём проверку на устойчивость плоской формы деформирования по формуле [2, формула 33]:

где  – площадь сечения брутто:

 – максимальный момент сопротивления брутто:

 – для элементов без закрепления растянутой зоны из плоскости деформирования;

 – расчётная длина верхнего пояса с учётом соединения прогонов через 2 крестовыми связями. Принимаем:

Тогда:

 – коэффициент продольного изгиба:

 – коэффициент для изгибаемых элементов прямоугольного поперечного сечения, шарнирно закрепленных от смещения из плоскости изгиба и закрепленных от поворота вокруг продольной оси в опорных сечениях[2, формула 25]:

 – расстояние между опорными сечениями элемента:

 – коэффициент, зависящий от формы эпюры изгибающих моментов на участке , определяемый по [2, табл. Е.1 прил. Е]:

Тогда:

 

В итоге получим:

Следовательно, проверка выполняется.

Расчёт нижнего пояса

Усилия в элементе  нижнего пояса  и первом нисходящем раскосе  примерно одинаковы. Поэтому для этих элементов принимаем одно сечение из двух уголков. В качестве материала уголков принимаем сталь .

Из условия прочности определим требуемую площадь сечения элементов:

 

Из условия ограничения гибкости радиус инерции сечения равен:

где  – расчётная длина элемента нижнего пояса:

 

Принимаем сечение из двух равнополочных уголков  (ГОСТ 8509-93):

m =2,73 кг

Расчёт стоек

Стойка  центрально сжата усилием , расчётная длина равна:

Гибкость стойки вычисляется по формуле:

Зададимся гибкостью  и выразим из вышеуказанной формулы требуемую высоту сечения стойки:

Примем в качестве стойки брус сечением:

Гибкость принятой стойки равна:

Т.к.

тогда коэффициент продольного изгиба равен:

Выполним проверку на устойчивость:

Следовательно, проверка выполняется.

Расчёт раскосов

Раскос  центрально сжат усилием , расчётная длина равна:

Зададимся гибкостью  и выразим из вышеуказанной формулы требуемую высоту сечения стойки:

Примем в качестве стойки брус сечением:

Гибкость принятой стойки равна:

Т.к.

Коэффициент продольного изгиба равен:

Выполним проверку на устойчивость:

Следовательно, проверка выполняется.

Карнизный узел

Принимаем длину горизонтальной площадки опирания на стойку в карнизном узле, равную:

Тогда высота подрезки при наклоне пояса  равна  (рис. 4.2).

Определяем высоту площадки смятия пояса в карнизном узле при эксцентриситете :

Принимаем швеллер  (ГОСТ 8240 – 89):

Минимальная высота площадки смятия торца пояса:

где  – расчётное сопротивление древесины смятию под углом:

где  – прочность древесины сосны на смятие поперёк волокон [2, табл. 3]:

 

 

Рисунок 5.3. Карнизный узел

Тогда:

Проверяем швеллер на изгиб по схеме однопролётной свободно опёртой балки, опорами которой служат боковые фасонки:

 

Тогда изгибающий момент равен:

Проверка прочности швеллера:

Следовательно, прочность обеспечена.

 

Проверим стенку швеллера, опёртую на четыре канта, на местный изгиб

Давление панели верхнего пояса равно:

Изгибающий момент в защемлённой по контуру пластинке равен:

где  – коэффициент для плиты, опёртой по четырём сторонам. При отношении сторон:

где  – толщина полки швеллера .

коэффициент  равен [1, прил. 6, табл. 2]:

Тогда:

Толщина стенки должна быть не менее:

 

Устанавливаем пластину, толщиной:

 
Горизонтальный лист проверяется на изгиб от опорного реактивного давления стойки  (рисунок 5.3). Примем сечение стойки:

Реактивное давление на лист равно:

Давление верхнего пояса на лист равно:

Где  – местная поперечная нагрузка на панель пояса (п.5.3.1.),  – размеры опорной площадки листа:

Расчётное давление на первый участок листа равно:

Изгибающий момент в пластинке, защемлённой по трём сторонам, равен:

где  – коэффициент для плиты, опёртой по трём сторонам. При отношении сторон:

коэффициент

Тогда:

Требуемая толщина листа:

Устанавливаем лист, толщиной:

Рассчитаем длину сварного шва крепления швеллера к фасонке ручной сваркой электродами  при катете шва  с каждой стороны:

Принимаем:

Требуемые длины сварных швов крепления каждого уголка нисходящего раскоса  равны:

- на обушке:

Принимаем:

- на пере:

Принимаем:

 

Коньковый узел

 

Соединение двух полуферм на строительной площадке в коньковом узле выполняется парными деревянными накладками и металлическими фланцами на болтах. Эксцентриситет продольного усилия в поясе обеспечивается прорезью глубиной  (рисунок 5.6).

 

Рисунок 5.6. Коньковый узел

Крепление раскосов осуществляется через накладки из швеллеров к стальным фланцам на сварке. Так как высота сечения раскосов  и  равна:

то принимаем швеллер :

Сварные швы передают сжимающее усилие, действующее в раскосе, на фланцы и работают на срез и сжатие:

- усилие на срез:

- усилие на сжатие:

В швах с катетом  и общей длиной в одном швеллере:

напряжения равны:

Проверим результирующее напряжение:

Сжимающее усилие от раскоса на швеллеры передаётся через распорку из швеллера . Напряжение изгиба в распорке:

Проверим сварные швы между распоркой и швеллерами, длиной:

Следовательно, условие выполняется.

Для уменьшения провисания нижнего пояса в узле предусматривается подвеска:

Опорный узел

Ферма передаёт давление на колонны через обвязочные брусья, выполняющие назначение горизонтальных распорок связей жёсткости между колоннами (рисунок 5.7).

Высота бруса назначается по предельной гибкости  при шаге рам :

Примем:

Ширина обвязочного бруса принимается равной ширине опорной стойки колонны 200 мм (рисунок 5.7).

 

Проверку опорной стойки на устойчивость.

Гибкость стойки  равна:

Тогда коэффициент продольного изгиба равен:

где  – коэффициент используемого материала, для древесины:

Получим:

Напряжения в стойке  равны:

где  – площадь сечения стойки :

Тогда:

Следовательно, проверка выполняется.

 

Рисунок 5.7 Опорный узел

Весовые показатели фермы

1) Расход древесины

Верхний пояс