Одноэтажное каркасное деревянное здание

1.Исходные данные Одноэтажное каркасное деревянное здание. Гнутоклеёная рама пролёт 18м, высота 10 м, уклон 12, 5 % Клеефанерная плита имеет длину L = 6 м, ширину В = 1,5 м, две фанерные обшивки, 4 продольных и 5 поперечных ребер. Плита опирается концами на клеедеревянные балки и несет равномерные распределенные и сосредоточенные нагрузки, нормальные к ее поверхности, следующих нормативных и расчетных значений: от собственного веса и веса снега q н=2,6 кН/м, q = 4 кН/м; от веса человека с грузом Рн= 1,0 кН, Р= 1,2 кН.
2. Сбор нагрузок Наименование и состав нагрузок Нагрузка, кПа Коэф. перегр. нормативная расчетная Кровля рубероидная трёхслойная 0,12 0,156 13, Фанерная обшивка, фанера марки ФСФ 0,14 0,154 1,1 Продольные и поперечные рёбра 0,128 0,1408 1,1 Утеплитель(минераловатные плиты) 0,075 0,09 1,1 Пароизоляция 0,02 0,026 1,3 Постоянная 0,483 0,567 Временная 0,98 1,1 1,2 Полная 1,5 1,7 Коэффициент надёжности по снеговой нагрузки в соответствии с п 5.7 СНиП 2.01.07-85 Для отношения нормативного веса покрытия к весу снегового покрова 0,483/1,5=0,32Полная нагрузка на 1 м панели: Нормативная q н =1,5*0,725=1,08 Расчётная q =1,7*0,725=1,23 Расчёт ветровой нагрузки: qwon=0.3 кн/м3(по СниП) qw= qwon*к*с к- коэффициент учитывающий изменение ветрового давления по высоте , в зависимости от типа местности. Местность тип Б: h=5м к=0,5 h=10м к=0,65 h=20м к=0,85 с- аэродинамический коэффициент с наветренной стороны с=0,8 ; с подветренной с=-0,6. q5= qwon* к5 *с*γ(γ-коэффициент надёжности 1,4) q5=0,3*0,5*0,8*1,4=0,129 q10= qwon* к10 *с*γ q10=0,3*0,65*0,8*1,4=0,218 Заменяем фактические неравномерные воздействия на колонну и шатёр условными эквивалентными равномерными: qэ1=(0,129*5+(0,129+0,218)*0,5*1)/10=0,08 qэ2=А2/h=0,144 с наветренной стороны на колонну рамы действует равномерная нагрузка: qw’= qэ1*Вк=0,08*7,1=0,568 кн/м3 с противоположной стороны: qw’’=- qw’*(0,6/08)=-0,426 нагрузкам действующая в пределах шатра по площади А=Вк*h приводится к сосредоточенной силе активная сторона: W’= qэ2*A=0,144*7,1*1,65=1,7 кН Пассивная сторона: W’’=- W’*(0,6/0,8)=-1,28 кН 3.Определение геометрических характеристик рамы Геометрические характеристики определяем с помощью специальной программы для расчёт деревянных конструкций WOOD деревянное здание одноэтажный рама 4.Статический расчёт рамы Статический расчёт проводим с помощью специальной программы для расчёт деревянных конструкций WOOD 1) 2) 3) 5.Подбор сечений и проверка напряжений 1. Сечение выгиба. Определяем максимальные усилия. Изгибающий момент М = М2= 99,45 кН-м = 0,099МН-м. Продольная сила N = N2 = 41,74 кН = 0,042 МН. Расчетное сопротивление сжатию и изгибу при ширине сечения b= 14 см; Rс= Rи= 15 МПа. Требуемая высота сечения hтр определяется приближенно по величине изгибающего момента, а наличие продольной силы учитывалось коэффициентом 0,8: hтр = √6M/(0,8 b Rн)н= √6*0,099/(0,8*0,14*15)= 0,59 м. Принимается высота сечения из 45 слоев досок толщиной δ= 1,4 см: h = 46δ= 46*1,4 = 64 см. Сечение b*h =14*64 см. 2. Опорное сеченне. Максимальная поперечная сила Q = 17,98 кН = 0,018 МН. Принимаются доски сечением b*δ= 14*1,4 см после острожки в средней и сжатой части сечения 2-го сорта. Расчетное сопротивление скалыванию Rск= 1,5 МПа. Ширина b =0,14 см. Требуемая высота сечения на опоре исходя нз расчетного сопротивления скалыванию hтр = 1,5Q/( 2b Rск)= 1,5*0,018/(2*0,14*1,5)=0,17 м. Принимается высота опорного сечения hоп = 0,014*21 = 0,294 ≈ 0,3 м> hтр Коньковое сечение принимается конструктивно таким же: b*h =14*30 см. Проверка напряжения при сжатии с изгибом. Изгибающий момент, действующий в центре сечения, находящегося на расстоянии от расчетной оси, равном е = (h — hоп)/2 = (0,64 — 0,30)/2 = 0,17 м, определится по формуле: М = М2 — Ne = 0,099 - 0,042*0,17 = 0,091 МН*м Расчетные сопротивления древесины 2-го сорта сжатой внутренней кромки Rc с учетом коэффициентов условий работы — высоты сечения mδ= 0,95, толщины слоев mсл = 1,1 и коэффициента гнутья mгн rвн= r — е — h/2 = 300— 17 — 64/2= 251 см; rвн/δ= 251/1,4= 179; мгн=0,86; Rc = Rc mδ mсл mгн = 15-0,95-1,1 -0,86= 13,5 МПа. Расчетное сопротивление древесины 1-го сорта растянутой наружной кромки Rp= 12 МПа., Коэффициент гнутья rН = r — е + h/2 =300 — 17 + 64/2 =: 315 см; rн/δ = 315/14= 225; mгн*= 0,75; Rp = Rp mсл mгн = 12*1,1 *0,75 = 9,9 МПа.
Площадь сечения A, момент сопротивления W, расчетная длина lр, радиус инерции i, гибкость λ: A = bh = 0,14*0,64 = 0,09 м2; W = 6h2/6 = 0,14*0,642/6 = 0,0096 м3; lр =1634 см; r = 0,29h = 0,29*64 = 18,6 см; λ=1634/18,6=87,8.
Коэффициент, учитывающий переменность высоты сечения полурамы, Кжн= 0,07 +0,93h0 /h= 0,07 + 0,93*30/64 = 0,51. Коэффициент учета дополнительного момента при деформации прогиба ξ = 1-Nλ2/3000RcA Кжн = 1 — 0,042*772/(3000*13,5*0,09*0,51) = 0,86. Изгибающий момент Мд = М/ξ = 0,09/0,86 = 0,105МН • м. Коэффициенты Кгв и Кгн к моменту сопротивления W при проверке напряжений сжатия во внутренней и растяжения в наружной кромках сечения: Кгв = (1 + 0,5h/r)/(1 + 0,17 h/r) = (1 + 0,5*64/300)/(1 + 0,17*64/300) = 1,14; Кгн = (1 - 0,5h/r)/(1- 0,17 h/r) =(1 - 0,5*64/300)/(1- 0,17*64/300)=0,86 Моменты сопротивления сечения с учетом влияния выгиба верхней и нижней кромок: Wн = W Кгв = 0,0096*0,86 = 0,008 м3 W=W Кгн = 0,0096*1,14 = 0,011 м3 Напряжения сжатия и растяжения: σс = N/A + М Д /W = 0,042/0,09 + 0,1/0,008 = 12,9 МПа δр= N/A М Д /W = 0,042/0,09 - 0,10/0,011 = 8,7 МПа Проверка устойчивости плоской формы деформирования рамы. Рама закреплена из плоскости в покрытии по наружным кромкам сечений. Внутренняя кромка ее сечений не закреплена. В сечениях рамы действуют в основном отрицательные изгибающие моменты, максимальные в серединах выгибов. При этом верхние наружные зоны сечений рамы являются растянутыми и закрепленными из плоскости, а нижние внутренние зоны сжаты и не закреплены. Проверка устойчивости плоской формы деформирования полурамы. Расчетная длина растянутой зоны равна полной длине полурамы lр. Площадь сечения гнутой части А = bh = 0,14-0,64 = 0,09 м2. Момент сопротивления сечения W = 0,0096 м3. Радиус инерции, гибкость и коэффициент устойчивости нз плоскости при сжатии r=0,29b=0,29*14=4,06 см; λ= lр /ry= 1634 /4,06= 403, φy=3000/λ2= 3000/4032=0,018 Коэффициент устойчивости при изгибе φм= 140b2Кф/ lр h= 140*14* 1,13/(1634*64) = 0,21, где Кф =1,13 — коэффициент формы эпюры изгибающих моментов. Коэффициенты КnN и КnM учитывающие закрепление растянутой кромки из плоскости, при числе закреплений более четырех следует считать сплошными: КnN = 1 + 0,75 + 0,06(lр /h)2 + 0,6αр(lр /h)=1 + 0,75 + 0,06(1634/64)2 + 0,6*1,33 (1633/64) = 41,2 Км= 1 + 0,142 (lр /h) + 1,76((h/ lр ) + 1,4αР = 1+ 0,142(1433/64)+ 1,76(64/1633)+ 1,4*1,33= 6,1, где αР = 1,33 — центральный угол гнутой части в радианах. Коэффициенты устойчивости при изгибе с учетом закреплений: φyКпМ = 0,024* 41, = 0,98 φм КпМ =0,34 * 6,1 = 2,07 > 1. Принимается φм КпМ = 1 Проверка устойчивости полурамы N/( φyКПмRCA)+ МД/( φyКПмRCW = = 0,042/(0,92*14,7*0,09) + 0,10/(1 *14,7*0,0096) = 0,74 Устойчивость плоской формы деформирования полурамы обеспечена. 6. Конструкции и расчет узлов Опорный узел решается при помощи стального башмака, состоящего из опорного листа, двух боковых фасонок и упорной диафрагмы между ними, который крепит стойку к опоре. Расчет узла производится на действие максимальных продольной силы N=0,042 МН и поперечной силы Q = 0,018 МН. Площади смятия конца стойки вдоль и поперек волокон древесины А = bh=0,14* 0,30=0,42 м2. Расчетные сопротивления смятию древесины вдоль волокон Rc= 15 МПа и поперек волокон Rcм90= 3 МПа. Напряжение смятия: вдоль волокон σ = N/A = 0,041/0,042 = 0,99МПа поперек волокон σ = Q/A = 0,018/0,042 = 0,5 МПа. Опорный узел решается с помощью стального башмака из опорного листа и двусторонних фасонок с отверстиями для болтов .Он крепится к поверхности опоры нормальной к оси полуарки. Расчет узла производится на действие максимальных продольной N = 0,042 МН и поперечной Q = = 0,018 МН сил. Определение числа болтов крепления конца полуарки к фасонкам. Принимаются болты d = 2 см. Они воспринимают поперечную силу и работают симметрично при ширине сечения b=с= 14 см, при двух швах пш=2 и угле смятия а = 90°. Коэффициент Ка = 0,55. Несущая способность болта в одном шве: по изгибу болта Т=2,5d2√ Ка = 2,5*5√0,55= 7,4кН; по смятию древесины Тс= 05cdKa= 0,5*14*2*0,55 = = 7,7 кН. Требуемое число болтов пб=Q/(Тпш)=17.98/(7,4*2)= 1,21. Принимается два болта диаметром 20 мм. Определение толщины опорного листа. Лист работает на изгиб от давления торца полуарки и реактивного давления фундамента. Длина торца l = b = 14 см. Длина листа /2 = 30 см. Расчетная ширина сечения h= 1 см. Давление торца q1 = σсм = 0,99 МПа = 990 Н/см. Давление фундамента q2 = ql1/l2 =990*14/30 = 462 Н/см. Изгибающий момент М =(q2l22- q1l22)/8= (462*302 — 100*142)/8 = 23989 см = 0,024Мпа Расчетное сопротивление стали R = 240 МПа. Требуемый момент сопротивления WTp = M/R = 0,0024/240 = 0,33-10~6 м3 = 0,0001 м3. Требуемая толщина листа σТр=√6*w= √6*1= 2,44 см. Принимается толщина листа б = 25 мм. Коньковый узел решается с помощью двух стальных креплений из упорного листа и двух фасонок с отверстиями для болтов . Расчет конькового узла производится на действие максимальных продольной N = 0,042 МН и поперечной Q = 0,018 МН сил. Проверка торцевого сечения на смятие под углом α = 16°42' к волокнам древесины. Расчетное сопротивление смятию Rсмα= Rсм/[1 + Rc/(Rсм90— l)sin3α) = 18,5/ /[1 + 18,5/(3 — 1)0,293] = 16,8 МПа. Площадь смятия А = 0,14*0,30 = 0,042 м2. Напряжение σ=N/A=0,042/0,42= 10 МПаОпределение числа болтов крепления конца полуарки к фасонкам. Принимаются болты диаметром d = 2 см. Они работают симметрично при числе швов nш= 2 и толщине сечения полурамы b = c= 14 см под углом смятия а= 90° — 7°13' = 82° 47' к волокнам древесины. При этом Ka=0,52 в соответствии со СНиПом. Несущая способность болта в одном срезе: при изгибе Тн = 2,5d2√ Ka. = 2,5*22у0,52 = 7,2 кН по смятию древесины Тс= 0,5bcdKa = 0,5*14*2*0,52 = 7,3 кН. Требуемое число болтов п = Q/ Тн *n=42/(7,2*2) = 2,9 шт. Принято три болта диаметром d = 20 мм. 7. Расчёт клеефанерной плиты 1)Принимается предварительно сечение продольных ребер b1*h1= 7*20 см из досок сечением 7*19,5 см, остроганных по кромкам. Расчетная схема плиты — однопролетная шарнирно опертая балка пролетом l=5,5 — 0,05=5,45 м. Расчетная схема верхней обшивки — однопролетная заделанная на опорах балка пролетом, равным расстояниям между пластями соседних продольных ребер: l1 = (В — 4b1)/3 = (1,5 — 4-0,07)/3 = 0,4 м. Расчетные усилия в сечениях плиты: изгибающий момент М = ql2/2 = 2,73*5,452/8 = 13,9 кН-м = 0,0139 МН-м; поперечная сила Q = ql/2 = 2,73*5,45/2 = 10 кН= 0,010 МН.
Местный изгибающий момент в верхней обшивке М1 = Pl1 /8 = 1,2*0,4/8 = 0,06 кН-м = 0,060-103 МН-м. Требуемая толщина фанерной обшивки δ тр= М/(0,6Вh0Rф.с.) = 0,0139/(0,6*1,5*0,21*12) = 0,007 м = 0,7 см, где h0 = =h1+ δ. Принимаются фанерные обшивки одинаковой толщины δ = 1 см.
Эпюры: а-изгибающий момент в продольном сечении плиты, б- местный изгибающий момент в верхней обшивке а) б) 2) Геометрические характеристики сечения плиты: расчетная ширина обшивок b = 0,9В = 0,9*150 = 135 см; общее сечение продольных ребер bphp=4 b1*h1 = 28*20 = 560 см2; полная высота сечения h= h1+2 δ = 20 + 2*1 = 22 см. Положение нейтральной оси сечения z = h/2 = 22/2 = 11см. Момент инерции сечения I= Iф + Iд= bδ(z- δ/2)22+ bphp3/12 = 135*1 *(11 -1/2) 22+28*17 3 /12 = 21 420 см4 = 0,0003313 м4. Момент сопротивления сечения W = I/(0,5h) = 0,0003313/0,11 = 0,003 м. Статический момент обшивки относительно нейтральной оси S = bδ(z -δ/2) = 135*1(11-1/2) = 1417 см3 = 0,0015 м3. Момент сопротивления сечения обшивки расчетной шириной b = 1 м: Wф= bδ 2/8= 100*1 2 /8= 12,5 см3= 12,5*10-6 м3. Расчетные сопротивления фанеры сжатию, растяжению вдоль наружных волокон, изгибу поперек волокон и скалыванию: Rф.с.= 12 МПа; Rф.р = 14 МПа, Rф.и = 6,5 МПа и Rф.ск = 0,8 МПа. 3) Проверки несущей способности плиты. Проверка несущей способности верхней обшивки при сжатии и устойчивости при изгибе: отношение а/δ = 40/1 =40. Коэффициент устойчивости φ = 1 — (а/δ)2/5000 = 1 — 402/5000 = 0,68. Напряжение δ= M/Wф = 0,0139/0,003*0,6 = 7,72 МПаПроверка несущей способности нижней обшивки при растяжении от изгиба с учетом ее ослабления стыками на ус: /mф = 0,6. Напряжение δ = М/Ф mф = 0,0139/(0,003*0,6) = 7,72 МПаПроверка обшивок при скалывании от изгиба: ширина площади скалывания b = bp= 19 см = 0,19 м; τ= QS/(Ib) = 0,010*0,0015/(0,0003313*0,19) = 0,37 МПаПроверка обшивки при местном изгибе: напряжение δ = M1/W1 == 0,00006/(12,5-*10-6) = 4,8 МПаПроверка относительного прогиба плиты от нормативной нагрузки q н = 2,6 кН/м = 0,0026 МН/м. Модуль упругости фанеры Eф=9000 МПа; f/l= (5/384)[q н l3/(0,7EI)] = (5/384) [0,0023*5,453/(0,7*9000*0,0003313)] = 1/250 = [f/l] Следовательно, клеефанерная плита имеет прогибы от нормативных нагрузок, не превосходящие допускаемых, и ее несущая способность по отношению к расчетным нагрузкам имеет дополнительные запасы несущей способности. 8. Мероприятия по защите древесины от гниения и возгорания Гниение древесины является результатом жизнедеятельности дереворазрушающих грибов. Для своего питания дерево-разрушающие грибы используют органические вещества древесины. При этом в древесине происходят сложные химические изменения составляющих древесины, вызывающие резкое ухудшение ее физико-механических свойств. Конечным результатом процесса гниения является полная деструкция древесины. Дереворазрушающие грибы развиваются в определенных, специфических условиях, определяемых влажностью древесины, температурой и наличием кислорода. Гниение древесины становится возможным при наличии кислорода, при плюсовых температурах (до 50° С) и при влажности древесины свыше 20%. Конструктивная защита от загнивания. Принципом конструктивной защиты деревянных конструкций от гниения является создание для древесины такого температурно-влажностного режима, при котором обеспечивается сохранение ее влажности ниже 20% на все время эксплуатации. Для этого необходимо проводить следующие конструктивные мероприятия. Несущие деревянные конструкции должны быть открытыми, хорошо проветриваемыми и доступными для периодического осмотра. Необходимо обеспечивать надежную гидроизоляцию деревянных конструкций и их частей, соприкасающихся с грунтом, фундаментами, бетоном, каменной кладкой и массивными металлическими частями. Поскольку в толще ограждающих элементов, находящихся в зоне изменения температур, возможно образование конденсата, несущие деревянные конструкции следует располагать либо целиком в пределах отапливаемого помещения, либо вне его. Панели покрытия и стен беспустотной конструкции не должны иметь деревянных элементов в зоне низких температур. Пустотные ограждающие конструкции должны иметь осушающие вентиляционные продухи, обеспечивающие быстрое высыхание древесины. При этом холодный сухой воздух вводится под карниз, а сырой и теплый выпускается у конька. Деревянные покрытия следует осуществлять с наружным отводом атмосферных вод. Деревянные стены защищаются от косого дождя и снега широким венчающим карнизом или широким свесом,. Торцы брусьев или бревен защищают от проникновения влаги посредством обшивки досками. Деревянные покрытия не рекомендуется устраивать с фонарями верхнего света. Химическая защита древесины от гниения Антисептирование является основным мероприятием по защите от гниения, рассчитанным на весь срок службы древесины. Антисептическая обработка элементов деревянных конструкций и изделий должна производиться в производственных условиях на специализированном оборудовании. В случае невозможности централизованного снабжения строительства элементами деревянных конструкций химически защищенными от гниения, допускается проведение антисептической обработки древесины на месте строительства механизированным, а в отдельных случаях и ручным, способами. Перед антисептической обработкой древесину необходимо очистить от коры и луба. Вся механическая обработка лесоматериалов (распиловка, сверление отверстий и т. д.) производится до антисептирования. Вид антисептической обработки древесины выбирается в зависимости от условий эксплуатации деревянных конструкций Антисептики разделяются на три группы: маслянистые, органорастворимые и водорастворимые. Маслянистые антисептики (каменноугольное пропиточное масло, сланцевое пропиточное масло, антраценовое масло и др.) применяются для пропитки деревянных конструкций, работающих в открытых сооружениях и для элементов конструкций, соприкасающихся с грунтом. Древесина, пропитанная этими антисептиками, не снижает своей механической прочности, не коррозирует металл. Из пропитанной древесины эти антисептики практически не вымываются водой. Антисептические свойства пропитанной древесины не изменяются на протяжении 50-летнего срока эксплуатации. Однако из-за выделения летучих веществ и резкого запаха, который сохраняется на протяжении длительного времени эксплуатации, запрещается применение древесины, пропитанной маслянистыми антисептиками для конструкций, расположенных внутри зданий. Пропитку маслянистыми антисептиками можно производить в цилиндрах под давлением и в горяче-холодных ваннах. Пропитанную древесину нельзя склеивать. При необходимости можно пропитывать склеенную древесину по специально разработанным режимам.
Покрытие влагозащитными составами нашло в последнее время широкое применение, так как в связи с возросшим в последнее время объемом производства клееных деревянных конструкций, появилась необходимость в защите их от кратковременного или случайного увлажнения. При изготовлении клееных деревянных конструкций не допускается применение древесины с влажностью выше 12%, поэтому при эксплуатации этих конструкций в зданиях и сооружениях с нормальной относительной влажностью воздуха и при проведении соответствующих конструктивных мероприятий, нанесение влагозащитных составов можно рассматривать как мероприятие по защите от гниения.
Качество лакокрасочных покрытий по древесине контролируется следующими показателями: толщиной покрытия (ГОСТ 14644—75); адгезией пленки к поверхности (ГОСТ 15140—78); возгораемостью (ГОСТ 16363—76); влагопроницаемостью; атмосфероустойчивостью пленки покрытия (ГОСТ 6992—68). Защита от возгорания Возможность применения древесины для несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений, а также необходимость специальной огнезащитной обработки ее для получения трудносгораемых, трудно возгораемых или защищенных от возгорания деревянных элементов определяется указаниями действующих противопожарных норм в зависимости от назначения зданий и сооружений, их этажности, огнестойкости примыкающих конструкций, пожарных разрывов и тому подобных факторов. Конструктивные меры защиты деревянных конструкций от возгорания. Конструктивными мерами по предотвращению возгорании интенсивного развития пожара в деревянных зданиях предусматривается применение деревянных конструкций из массивных, преимущественно строганных элементов,— брусьев, бревен, клееных массивных элементов без острых выступающих частей, щелей, трещин, так как элементы деревянных конструкций, имеющие сечение более 100 X 100 мм, во время активного горения обугливаются со скоростью 0,75—1 мм в мин, и поэтому такие деревянные конструкции сохраняют свою несущую способность в течение 30—45 мин. Строящиеся здания должны иметь гладкие стены и потолок без выступающих внутрь помещения деревянных частей, иметь беспустотные ограждающие конструкции с применением в них несгораемых или трудносгораемых утеплителей. Воздушные прослойки разделяются на отсеки (площадью до 50 м2) несгораемыми диафрагмами, не препятствующими осушению полостей. Деревянные поверхности покрываются огнезащитной облицовкой и штукатуркой, деревянные части отделяются от источников нагрева специальными противопожарными преградами. Деревянные конструкции должны эксплуатироваться при температуре, не превышающей 50° С Химическая защита от возгорания. К трудновозгораемым относятся деревянные элементы, пропитанные водными растворами огнезащитных солей в цилиндрах под давлением с поглощением сухой соли до 75 кг на 1 м8 древесины. Однако такая обработка снижает прочность древесины на 10—20%, а при обработке клееных элементов может наступить полная потеря прочности клеевого шва через 1—2 года. Поэтому в последнее время практически отказались от такой обработки. Более эффективна поверхностная защита древесины от возгорания. Технология нанесения огнезащитных покрытий, красок и обмазок аналогична нанесению антисептических паст и влагозащитных покрытий. Нанесение покрытий необходимо производить в два или более слоев с тем, чтобы обеспечить требуемый расход. Последующий слой наносится после высыхания предыдущего слоя. Список литературы 1) Зубарев Г. Н. Конструкции из дерева и пластмасс: Учеб. пособие для Студентов вузов, обучающихся по спец. «Промышленное и гражданское строительство». — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. школа, 1990. — 287 с. ил. 2) СНиП II-25-80. Деревянные конструкции 3) ГОСТ 20850-84 - конструкции деревянные клееные.