Проектирование несущих и ограждающих конструкций одноэтажного производственного здания

Проектирование несущих и ограждающих конструкций одноэтажного производственного здания

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Специальность: «Промышленное и гражданское строительство»

Кафедра: «Конструкции из дерева и пластмасс»

Курсовая работа:

«Проектирование несущих и ограждающих

конструкций одноэтажного производственного здания»

Выполнила: Воронина П.А.

ПГС-5-13

Руководитель: Линьков Н.В.

Москва 2011 год

Содержание

1.   Исходные данные

2.      Расчет и конструирование ограждающей конструкции

2.1 Расчет рабочего настила

.2 Расчет спаренного неразрезного прогона

.3 Расчет стыка прогона

.     Расчет гнутоклееной трехшарнирной рамы

.1 Геометрические размеры рамы

.2 Определение нагрузок на раму

.3 Статический расчет рамы

.4 Подбор сечения и проверка напряжений

.5 Геометрические характеристики принятого сечения

.6 Проверка напряжений при сжатии с изгибом

.7 Проверка устойчивости плоской формы деформирования рамы

.     Конструкции и расчет узлов

.1 Опорный узел

.2 Коньковый узел

1. Исходные данные

конструкция рама статический коньковый узел

2. Расчет и конструирование ограждающей конструкции

.1 Расчет рабочего настила

Принимаем рабочие бруски 75х50мм II сорта согласно сортамента пиломатериалов. Расстояние между осями досок - 250мм. Шаг прогонов - 1,4м.

Сбор нагрузок на рабочий настил:

Рабочий настил укладывается по прогонам.

)        Равномерно распределенная нагрузка.

Где h0 и hн - ширина сечения обрешетки и настила соответственно;

b0 и bн - толщина сечения обрешетки и настила соответственно;

с0 - шаг обрешетки и настила соответственно;

γд - объемный вес древесины.

Расчетное значение снеговой нагрузки принимается по СНиП 2.01.07-85, а нормативное значение принимается умножением на коэффициент 0,7 расчетной.

)        Сосредоточенная нагрузка Рн=1кН. Коэффициент надежности по нагрузке γf=1,2.

Расчетное значение Рр =1,2кН.

При двойном настиле (рабочем и защитном, направленном под углом к волокнам) сосредоточенный груз следует распределять на 500мм рабочего настила.

Полная нагрузка на 1 пог. метр ширины распределяется на 500мм рабочего настила.

Полная нагрузка на 1 пог. метр ширины 0,5м рабочего настила:

а) Пост. и врем.:

-       нормативная  кН/м;

-       расчетная  кН/м.

б) Пост.:

-       расчетная  кН/м.

Расчетная схема:

Расчет настила ведется как балки по двух-пролетной схеме при 2 сочетаниях нагрузок. Расстояние между опорами равно шагу прогонов L=1,4м.

)        Пост. и временная (снеговая):

 кН/м.

2)      Пост. и сосредоточенная сила Р=1,2кН:

Расчет по первому предельному состоянию

Где М - максимальный изгибающий момент

W - момент сопротивления

 - расчетное сопротивление древесины изгибу

 =1,2 - коэффициент, учитывающий кратковременность действия сосредоточенной нагрузки, принимаемый для 2 сочетания нагрузок.

Первое сочетание нагрузок: ;

Второе сочетание нагрузок: кнм;

м³, где - число досок, укладываемых по ширине настила 0,5 метра.

Расчет по второму предельному состоянию

Проверка рабочего настила на прогиб выполняется только от первого сочетанию нагрузок.

f ≤ fи

где f - расчетный прогиб конструкции; fи - предельный прогиб.

Где  

Е=10000000 кПа - модуль упругости древесины,

- предельный прогиб рабочего настила при шаге прогонов 1.4м по интерполяции значений табл.19 СНиП 2.01.07-85*:

 при пролете ,

 при пролете .

Запас из условия прочности составляет , но по требованию проветривания уменьшить высоту рабочего настила нельзя, следовательно оставляем принятое сечение.

2.2 Расчет спаренного неразрезного прогона

Согласно сортаменту пиломатериалов принимаем прогон из двух поставленных на ребре досок сечением 2х100х250мм с шагом 1,2м.

Сбор нагрузок

Где h_o; h_н - ширина сечения обрешетки и настила соответственно

b_o; b_н - толщина сечения обрешетки и настила соответственно

c_o; c_н; - шаг обрешетки и настила соответственно

γ_д - объемный вес древесины.

Расчётное значение снеговой нагрузки принимается по СНиП 2.01.07-85*, а нормативное значение снеговой нагрузки принимается умножением на коэффициент 0.7 расчётной.

Полная нагрузка на 1 пог.м при шаге 1,2м:

-       нормативная  кН/м;

-       расчетная  кН/м

Расчетные характеристики материалов:

Сосна 2 сорт.

Расчетное сопротивление древесины изгибу  МПа;

Модуль упругости древесины  МПа.

Прогон выполняется из двух досок 100х250мм, поставленных на ребро; прогон работает на косой изгиб; относительно оси х прогон работает как цельный элемент, оси у - как составной из двух брусков.

b = 2х100мм h = 250мм

Геометрические характеристики сечения:

Расчет по первому предельному состоянию

Проверку прогона на прочность производим с учётом работы прогона на косой изгиб.

Расчетная нагрузка при

Расчет спаренных прогонов производят по равнопрогибной схеме прогона при х=0.2113.

Изгибающий момент над опорой равен , момент в пролёте равен .

Расчет ведём по максимальному моменту, тогда

Расчет по второму предельному состоянию.

Проверка прогона на прогиб.

Относительный прогиб прогона

, где

- предельный прогиб прогона, полученный по табл.19 СНиП 2.01.07-85*:

Значения предельных прогибов по данной таблице:

 при пролёте

Запас из условия прочности составляет

2.3 Расчет стыка прогона

Концы досок одного ряда прибивают гвоздями к доске другого ряда, не имеющего в данном месте стыка. Гвоздевой забой стыка рассчитываем на восприятие поперечной силы.

Количество гвоздей с каждой стороны стыка определяется исходя из того, что поперечная сила, приходящаяся на один ряд досок Q = М_оп/2х_гв, в то же время равна Q=n_гвТ_гв, откуда

,

где х_гв - расстояние от опоры до центра гвоздевого забоя, учитывая, что каждый гвоздь воспринимает одинаковое усилие, равное Т_гв.

Гвозди, скрепляющие доски прогона, приняты d_гв = 0.5 см, l_гв = 15 см (ГОСТ 283-41).

Рис.3.7.

Допустимое усилие на один «срез» гвоздя определяем из следующих условий:

а) из условия изгиба гвоздя:

но не более ;

где

б) из условия смятия досок на глубине защемления гвоздя при : следовательно

кН.

В расчет принимаем

Расстояние х_гв примем равным 0.2113l, т.е. х_гв = 0.2113×6 = 1.27 м. Тогда количество гвоздей с каждой стороны стыка:

.

Требуемое значение количества гвоздей с каждой стороны стыка получим n_гв = 7 (должно быть четное количество гвоздей), принимаем 8 гвоздей.

Расстановку гвоздей производим согласно требованиям п. 5.21 СНиП II-25-80:

расстояние вдоль волокон древесины от гвоздя до торца элемента во всех случаях следует принимать не менее S₁ = 15d = 15х0.5=7.5 см, принимаем 80 мм.

расстояние между осями гвоздей поперек волокон древесины при прямой расстановке гвоздей следует принимать не менее S₂ = 4d = 4×0.5 = 2.0см, принимаем 30мм.

расстояние S₃ от крайнего ряда гвоздей до продольной кромки элемента следует принимать не менее 4d = 2.0 см; принимаем 20 мм.

Расставим гвозди на стыке досок прогона в два ряда:

Гвозди, соединяющие между собой доски спаренного прогона, ставятся конструктивно (без расчета) с шагом 50 см в разбежку.

3. Расчет гнутоклееной трехшарнирной рамы

3.1 Геометрические размеры рамы

Расчетный пролет рамы L=11,8 м. Угол наклона ригеля , , , . Высота стойки от верха фундамента до точки пересечения касательных по осям стойки и ригеля Н = 3,3 м. Тогда высота рамы в коньке (высота по оси рамы):

м.

По условиям гнутья, толщина досок после фрезерования должна приниматься не более 1.6…2.5 см. принимаем доски толщиной после фрезеровки 1.9 см. радиус гнутой части принимаем равным м > м (где  - толщина склеиваемых досок).

Угол в карнизной гнутой части между осями ригеля и стойки .

Так как максимальный изгибающий момент - в среднем сечении гнутой рамы, которое находиться на биссектрисе этого угла, получим:

; ; , ; .

Центральный угол гнутой части рамы в градусах и радианах:

;

; ;

; ; .

Длина гнутой части: м.

Длина стойки от опоры до начала гнутой части:

Длина прямолинейной части ригеля:

м.

Длина полурамы:

.

3.2 Определение нагрузок на раму

Нагрузка от покрытия: кН/м²;кН/м².

Собственный вес рамы определяем при К_св = 6 из выражения

кН/м²,

где К_св - коэффициент собственного веса рамы;

- нормативная снеговая нагрузка для 5 снегового района = 3,2х0,7=2,24кН/м^2.

Значения погонных нагрузок, действующих на раму (при шаге рам 4,5 метра).

3.3 Статический расчет рамы

Максимальные усилия в гнутой части рамы возникают при действии равномерно распределенной нагрузки q=24,69кН/м по пролету. Опорные реакции:

вертикальные:

кН;

горизонтальные (распор):

кН.

Максимальный изгибающий момент в раме возникает в центральном сечении 1-1 гнутой части. Координаты этой точки можно определить из следующих соотношений:

м;

м.

Определяем M и N в этом сечении:

кНм;

кНм.

3.4 Подбор сечения и проверка напряжений

В сечении 1-1 максимальный момент М_мах = 154,6кНм, продольная сила N = 151,9 кН/м. Расчетное сопротивление сжатию и изгибу сосны II сорта при ширине b = 19 см (принимаем доски шириной b = 20 см до фрезования):

МПа = 1.58 кН/см²,

где 15 МПа - расчетное сопротивление сжатию древесины сосны II сорта.

Требуемую высоту сечения  можно определить приближенно по величине изгибающего момента, а наличие продольной силы учесть введением коэффициента 0.6:

м.

Принимаем высоту сечения несколько больше (на 5-7 слоев) требуемой, при этом высота сечения должно состоять из целого числа досок, т.е. принимаем 44 слоя толщиной после фрезования мм, тогда мм > 664,5 мм. Высоту сечения ригеля в коньке рамы принимаем из 14 слоев толщиной мм:

 мм > мм.

Высоту сечения опоры рамы  принимаем

мм > мм, что позволит не выполнять дополнительных проверок.

3.5 Геометрические характеристики принятого сечения

см²;

см³;

см⁴.

Коэффициенты условий работы к расчетным сопротивлениям принимаем:

 - для условий эксплуатации индексируемых А₂;

;

 (при толщине 19 мм)

Радиус кривизны гнутой части по нейтральной оси

м.

Отношение , тогда по интерполяции определяем коэффициент :

 для и ;

 для .

3.6 Проверка напряжений при сжатии с изгибом

Для криволинейного участка рамы отношение .

Изгибающий момент, действующий в биссектрисном сечении 2-2 находится на расстоянии от расчетной оси, равном:

м

Расчетное сопротивление древесины сосны II сорта:

сжатию и изгибу:

МПа;

растяжению: МПа,

где 9 МПа - расчетное сопротивление растяжению по СНиП.

Расчетная длина полурамы м, радиус инерции сечения см, тогда гибкость.

Для элементов переменного по высоте сечения коэффициент  следует умножить на коэффициент К_жп = ,

где  ;

, если произведение , то принимаем

Изгибающий момент, определенный по деформированной схеме

кНм,

где ,

усилие N₀ = Н усилие в коньковой шарнире.

Для криволинейного участка про отношении прочность следует проверять для наружной и внутренней кромок, вводя коэффициенты  и  к :

; .

Расчетный момент сопротивления с учетом влияния кривизны:

м³;

м³.

;

 кН/см² <  кН/см².

Напряжение по растянутой наружной кромке

;(*)

 кН/см² <  кН/см².

Недонапряжение по одной из проверок должно быть меньше 5%.

В моем случае недонапряжение составляет

≤ 5%.

Условие прочности выполняется.

Окончательно принимаем сечение рамы:

см;см; см.

3.7 Проверка устойчивости плоской формы деформирования рамы

Рама закреплена из плоскости:

по наружной кромке прогонами по ригелю;

по наружной кромке стойки стеновыми панелями.

Внутренняя кромка рамы не закреплена. Эпюра моментов в раме имеет вид:

Точку перегиба моментов, т.е. координаты точки с нулевым моментом, находим из уравнения моментов, приравнивая его к нулю:

;

;

Получаем корни уравнения  и. Принимаем м, тогда

 м.

Точка перегиба эпюры моментов соответствует координатам м от оси опоры, м.

Тогда расчетная длина растянутой зоны, имеющей закрепления по наружной кромке, равна:

м.

Расчетная длина сжатой зоны, наружной (раскрепленной) кромки ригеля (т.е. закреплений по растянутой кромке нет) равна:

м.

Таким образом, проверку устойчивости плоской формы деформирования производим для одного участка.

Проверка устойчивости производиться по формуле:

.

) Для участка  м находим максимальную высоту сечения из соотношения

м;

;

;

.

м²; м³;

Показатель степени n = 2, т.к. на данном участке нет закреплений растянутой зоны.

Находим максимальный момент и соответствующую продольную силу на расчетной длине 2,23 м, при этом горизонтальная проекция этой длины будет равна м.

Максимальный момент будет в сечении с координатами x₁ и y₁:

м;

м;

кНм;

кН.

Момент по деформированной схеме ;, тогда ; , т.к. , принимаем ,

где .

Коэффициент  для см:

, тогда МПа.

Подставим ;кНм.

При расчете элементов переменного по высоте сечения, не имеющих закреплений из плоскости по растянутой кромке или при числе закреплений m < 4, коэффициенты  и  следует дополнительно умножать соответственно на коэффициенты  и  в плоскости yz.

;

.

Тогда ; .

Подставим выражение в формулу для проверки устойчивости плоской формы деформирования:

.

т.е. общая устойчивость плоской формы деформирования полурамы обеспечена без учета наличия закреплений по наружному контуру.

4. Конструкции и расчет узлов

.1 Опорный узел

кН; кН;м²;

МПа <  МПа,

где МПа - расчетное сопротивление смятию (сжатию) вдоль волокон.

Требуемая высота диафрагмы (из расчета на смятие рамы поперек волокон от действия распора):

мм, где МПа.

Конструктивно принимаем высоту диафрагмы см.

Рассчитываем опорную вертикальную диафрагму, воспринимающую распор на изгиб, как балку, частично защемленную на опорах с учетом пластического перераспределения моментов:

кНсм.

см³,

где кН/см² - расчетное сопротивлении стали по пределу текучести.

Этому моменту сопротивления должен быть равен момент сопротивления, определенный по формуле:

, где  - толщина диафрагмы.

Тогда см.

Принимаем см.

Боковые пластины принимаем той же толщины в запас прочности.

Предварительно принимаем следующие размеры опорной плиты, включая зазор «с» между боковыми пластинами и рамой по 0.5 см:

длина опорной плиты мм;

ширина мм.

Для крепления башмака к фундаменту принимаем анкерные болты диаметром 20 мм, имеющие геометрические характеристики:  см²; см².

Анкерные болты работают на срез от действия распора.

Срезывающее усилие кН.

Напряжение среза определим по формуле

кН/см²  кН/см²,

где - расчетное сопротивление срезу стали класса С235.

Условие прочности анкерных болтов выполняется.

4.2 Коньковый узел

Максимальная поперечная сила в коньковом узле возникает при несимметричной временной равномерно распределенной нагрузке на половине пролета, которая воспринимается парными накладками на болтах.

Поперечная сила в коньковом узле при несимметричной снеговой нагрузке:

кН, где S - снеговая нагрузка.

Определяем усилия, действующие на болты, присоединяющие накладки к поясу:

кН; кН,

где  - расстояние между первым рядом болтов в узле;

 - расстояние между вторым рядом болтов.

Принимаем отношение расстояний при расстановке нагелей , чтобы получить меньшие значения усилий.

Принимаем диаметр болтов 12 мм и толщину накладок 75 мм.

Несущую способность на один рабочий шов при направлении передаваемого усилия под углом 90⁰ к волокнам находим из условий:

изгиба болта:

кН, но не более значения кН,

гдеа - толщина накладки;

d - диаметр болтов;

k_а - коэф., зависящий от диаметра болтов и величины угла между направлением усилия и направлением волокон древесины. (Табл.19 СНиП II-25-80)

- смятия крайних элементов-накладок при угле смятия 90:

кН;

- смятия среднего элемента-рамы при угле смятия :

кН,

где с - ширина среднего элемента рамы, равная b.

Минимальная несущая способность одного болта на один рабочий шов:  кН, тогда необходимое кол-во болтов в ближайшем к узлу ряду

.

Принимаем 2 болта.

Кол-во болтов в дальнем от узла ряду .

Принимаем 1 болт.

Принимаем расстояние между болтами по правилам их расстановки: см, принимаем 24 см, тогда расстояние см.

Ширину накладки принимаем > 10d, что равно 160 мм, согласно сортаменту по ГОСТ 24454-80* принимаем ширину накладки 175 мм, тогда расстояние от края накладки до болтов см,

расстояние между болтами см, принимаем 7,5 см.

Изгибающий момент в накладках: кНсм.

Момент инерции накладки, ослабленной двумя отверстиями диаметром 1,2 см:

см³,

где S₃ - расстояние между болтами.

Момент сопротивления накладки  см³.

Напряжение в накладках:

 кН/см² = 0,75 МПа < МПа,

где 2 - кол-во накладок;

МПа - расчетное сопротивление древесины изгибу.