Разработка конструкций зданий и сооружений с

Федеральное агентство по образованию
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
Кафедра конструкций из дерева и пластмасс
Г. Г. Никитин, Л. Р. Куправа
Разработка конструкций зданий
и сооружений с использованием
древесины
Учебно-методическое пособие
по разработке курсового проекта для студентов специальности
270102 – промышленное и гражданское строительство
Санкт-Петербург
2007
1
УДК [624/07/011/1042/.046 + 694.1] (075.8)
Рецензенты: д-р техн. наук, профессор В. И. Патякин,
канд. техн. наук, доцент В. Э. Романчук
Никитин Г. Г., Куправа Л. Р.
Разработка конструкций зданий и сооружений с использованием древесины:
учеб.-метод. пособие по разработке курсового проекта для студ. спец. 270102 –
промышленное и гражданское строительство / Г. Г. Никитин, Л. Р. Куправа;
СПбГАСУ. – СПб., 2007. – 53 с.
Содержанием курсового проектирования является разработка конструкций
каркаса и ограждения зданий и сооружений с использованием древесины,
водостойкой фанеры и конструкционных пластмасс, в том числе разработка
технического проекта и рабочих чертежей элементов покрытия, ограждения
и каркаса промышленного или гражданского здания в соответствии с выданным
заданием.
Предназначено для студентов специальности 270102 – промышленное
и гражданское строительство (всех форм обучения).
Табл. 3. Ил. 30. Библиогр. 31 назв.
Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве
учебного пособия
Ó Г. Г. Никитин, Л. Р. Куправа, 2007
Ó Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2007
Введение
Ускоренное развитие конструкций из древесины и пластмасс требует улучшения подготовки специалистов в области проектирования
и строительства зданий и сооружений, строительные конструкции которых должны обладать легкостью, низкой теплопроводностью, достаточной прочностью и жесткостью, стойкостью против вредных воздействий,
долговечностью при использовании надежных способов устранения биологического повреждения и пожарной опасности.
В курсовом (и дипломном) проектировании по индивидуальным
заданиям, полученным от руководителя проекта, разрабатываются строительные конструкции с применением эффективных современных строительных материалов.
Проектирование и расчет конструкций с использованием древесины и пластмасс имеют свою специфику. Поэтому при выполнении проекта студент должен тщательно изучить свойства этих материалов (по
литературным источникам и лекциям) и в соответствии с предлагаемыми в пособии рекомендациями грамотно применить указанные материалы в своем проекте.
Итак, целью курсового проектирования по конструкциям из дерева
и пластмасс является углубленное изучение и закрепление теоретического материала, а также приобретение практических навыков расчета
и конструирования на примере конкретной инженерной задачи.
1. СОДЕРЖАНИЕ И ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ
КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Тема проекта – проектирование ограждающих и несущих конструкций промышленных, гражданских и сельскохозяйственных зданий
и сооружений.
Курсовой проект выполняется по индивидуальному заданию, полученному от руководителя.
В задании указываются схема здания или сооружения, основные
габаритные размеры, район строительства, степень ответственности здания, атмосферно-влажностные условия эксплуатации и дополнительные
данные по выбору тех или иных конструкций здания.
Курсовой проект выполняется по индивидуальному заданию, полученному от руководителя.
2
3
В задании указывается схема здания или сооружения, основные
габаритные размеры, район строительства, степень ответственности здания, атмосферно-влажностные условия эксплуатации и дополнительные
данные по выбору конструкций здания.
Курсовой проект студенты выполняют самостоятельно. В процессе проектирования они получают консультации по отдельным вопросам
у преподавателя-консультанта или лектора потока. Закончив и подписав
проект у консультанта, студент обязан защитить его и получить оценку.
При выполнении курсового проекта следует использовать рекомендуемую в бланке задания учебную и справочную литературу: учебники
и учебные пособия, методические указания по выполнению курсовых
проектов, ГОСТы, ТУ, СНиПы, альбомы и каталоги типовых проектов,
справочники, образцы выполненных ранее курсовых проектов и т. п.
В отдельных случаях по согласованию и по рекомендации преподавателя (консультанта) можно использовать литературу, не указанную
в перечне.
Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки и двух
листов чертежей формата А1 или нескольких листов меньшего размера,
выполненных вручную или с помощью компьютера.
Расчетно-пояснительная записка содержит следующие разделы:
выбор ограждающих и несущих конструкций покрытия и стен – с письменным обоснованием (конструкции выбирают с учетом выданного задания; расчет элементов ограждающих конструкций покрытия, а в ряде
случаев, по указанию преподавателя, и стен; расчет несущих конструкций (как правило, балок, ферм, арок, рам и основных стоек на действие
эксплуатационных нагрузок).
На чертежах разрабатывают технический проект здания или сооружения, в который входят монтажные схемы покрытий и стен, разрезы
с указанием необходимых связей жесткости и архитектурно-строительные детали сопряжения ограждающих и несущих конструкций (карнизы, связи, примыкание покрытия к торцевой и продольной стенам, устройство конька, цоколя и т. д.); рабочие чертежи рассчитанных ограждающих и несущих конструкций с обязательным показом конструкций защемленных стоек; в примечаниях дают характеристику применяемых
в проекте материалов и мероприятий по их защите от увлажнения, коррозии, гниения и горения с указанием ГОСТов и ТУ.
Кроме того, в зависимости от характера здания или сооружения,
а также по указанию преподавателя могут быть выполнены другие работы.
Рекомендуется при выполнении первой части курсового проекта
придерживаться такой последовательности:
1. Расстановка основных несущих конструкций в плане.
2. Выбор типа крыши и стенового ограждения.
3. Выбор схемы и размещение связей в плоскости продольных стен
и в плоскости крыши.
4. Схема и размещение вертикальных связей между плоскими основными несущими конструкциями покрытия.
5. Выбор схемы торцевого фахверка и связей в его плоскости.
6. Составление эскиза компоновки здания и оформление чертежей
технического проекта.
Принятые на первом этапе решения согласовываются и утверждаются преподавателем, после чего можно приступить ко второму этапу.
На втором этапе выполняют проектирование, статические и конструктивные расчеты выбранных ограждающих, а затем несущих конструкций.
При выполнении статических расчетов рекомендуется пользоваться таблицами или графиками, приведенными в учебных пособиях или
справочниках и применять компьютерные программы.
Расчеты согласовывают с преподавателем.
Третий этап проекта заключается в выполнении чертежей и оформлении расчетно-пояснительной записки.
Чертежи проекта выполняют на стандартных листах чертежной
бумаги формата А1. В чертежах обязательно соблюдение правил графического оформления, условных обозначений и масштабов в соответствии
со стандартами. Чертежи выполняют либо в карандаше, либо на компьютере. На чертежах указывают все размеры и надписи, необходимые для
получения полного представления о здании и конструкциях.
В рабочих чертежах конструкций разрабатывают геометрическую
и расчетную схемы каждой конструкции, ее общий вид и необходимые
детали узлов и сечения элементов. По требованию консультанта можно
разработать отдельные элементы или марки конструкций в стадии конструирования.
Объем графической части проекта и оформление технического чертежа приведены на рис. 1, основной конструкции – на рис. 2…4.
Расчетно-пояснительную записку объемом 30…35 страниц оформляют на стандартных листах писчей бумаги. Текст и расчеты, схемы и
чертежи деталей узлов выполняют как ручкой, так и на компьютере.
4
5
6
7
Рис. 2. Рабочий проект основной несущей конструкции каркаса (образец компоновки чертежа для
однопролетного здания с двухшарнирной рамой)
Рис. 1. Схема однопролетного производственного здания (технический проект):
1 – ось симметрии; 2 – вертикальные связи; 2а – вертикальные связи в плоскости стены;
3 – подкрановые балки; 4 – фермы; 5 – двухветвевая стойка; 6 – стойка фахверка; 7 – горизонтальные связи; 8 – прогоны; 9 – ограждающие конструкции
8
9
Рис. 4. Рабочий проект основной несущей конструкции каркаса (образец компоновки чертежа для
трехпролетного круглого в плане здания)
Рис. 3. Рабочий проект основной несущей конструкции каркаса (образец компоновки чертежа для
однопролетного здания с трехшарнирной рамой)
В конце записки приводят перечень использованной литературы.
Пояснительную записку и чертежи представляют на подпись преподавателю, после чего студент защищает проект.
2. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЕКТА
При разработке конструктивной схемы здания следует учитывать
эксплуатационные особенности, связанные с назначением и местом строительства, а также наличие древесного материала, возможность его экономии, типизации конструкции, внутренние и внешние требования.
В этой части следует выбрать (или применить предложенную в задании)
схему и установить согласно литературным рекомендациям основные
геометрические размеры элементов несущих конструкций, разместить
конструкции в плане, на продольном и поперечном разрезах здания, показать конструктивные элементы, обеспечивающие пространственную
жесткость здания (см. рис. 2, 3, 4).
Обычно жесткие связевые блоки устраивают в торцевых зонах
и через 18…30 м друг от друга (в зависимости от длины, высоты здания,
интенсивности ветрового давления, наличия в здании кранов или устройств, создающих усилия по длине здания).
В проектах применяют наиболее часто встречающиеся в последнее
время поперечные конструктивные схемы (рис. 5).
I
h
H
II
Ригель
Сто йки
h
H
III
Ригель
Рам ная
схема
H
Ароч ная
схема
Сто йки
l
l
l
Перед выбором основных конструкций необходимо изучить соответствующие разделы учебников и других источников.
При определении высоты ригеля учитывают уклон кровли, зависящий от применяемого материала. При этом следует использовать наплавляемые материалы, профилированные (металл, стеклопластик) и металлочерепицу.
Рекомендуемые уклоны кровли для наиболее часто применяемых
материалов указаны в табл. 1.
Таблица 1
Рекомендуемые минимальные уклоны кровель
Вид кровли
Из рулонных материалов (рубероида, толя,
пергамина), наклеиваемые на горячей мастике:
двухслойные
трехслойные
четырехслойные
пятислойные и более
Из наплавляемых рулонных материалов
Из асбестоцементных плиток и шифера
Из волнистых асбестоцементных листов
обыкновенного профиля
То же усиленного профиля
Из черепицы
Из листовой кровельной стали толщиной
d = (0,38…0,82) мм
Из волнистого стеклопластика толщиной
d = (1,5…2,5) мм
Рекомендуемый уклон
(минимальный)
Вес
кровли,
кг/м2
1/7
1/14
1/20
1/100,
но не более 1/4
1/7
1/2
1/3
6
9
12
15
и более
4…5
12…18
14
1/3
1/2
1/5
20…22
5…65
5 при
d = 0,5 мм
4 при
d = 2 мм
1/100
R
Ригель и стойки в зависимости от пролета и назначения здания могут
быть сплошными или сквозными.
Несущая конструкция покрытия выбирается в соответствии с выданным заданием. При этом следует учесть назначение здания, величину перекрываемого пролета, особенности эксплуатации, условия изготовления. Во всех случаях решающее значение при разработке конструкции имеет величина пролета.
10
11
Рис. 5. Основные современные схемы поперечника зданий различного
назначения
Таблица 2
Пролет
и
сечение
l, м
h/l
12…24 1/10…1/14
i £ 1/20
kс.в
kм, %
3…5
0…1.0
3...5
0...1,5
h0
5
Схема
Коэффициенты
l
6
6...12
i £ 1/10
1/10...1/15
h
Схемы и характеристика составных балок
Окончание табл. 2
Номер
схемы
В табл. 2 и 3 приведены основные схемы плоских сплошных и сквозных, а также пространственных конструкций, которые могут быть предложены в задании.
Так, как правило, сплошные балки применяют при пролетах
от 6 до 24 м, фермы криволинейного очертания верхнего пояса – от 9 до
100 м (чаще до 45 м), фермы прямолинейного очертания верхнего пояса
(полигональные) – от 9 до 24 м. Если верхний пояс ферм выполнен из
клееной древесины, то пролеты могут быть и больше.
Коэффициенты
и
сечение
l, м
h/l
kс.в
kм , %
6…30 1/10…1/15
6…24 1/9…1/12
4…6
3…5
0…1,5
0…2
6…18 1/10…1/12
4...6
0…1,5
Клееные дощатые балки
1
h
i £ 1/10
i £ 1/20
7
6...24
1/10...1/16
3...7
1...3
4...6
1/10...1/20 7...12
0...2
4...6
1/10...1/20 7...12
3...4
l
Брусчатые и бревенчатые балки
на пластинчатых нагелях и вклеенных стержнях
8
h
hоп
2
Клееные дощатые и фанерные армированные балки
h
Схема
h
Номер
схемы
Пролет
B
3
6…18
h
H
1/7...1/9
4...6
0…1,5
h
i = 1/10 – 1/4
H
r
l
j
6…30 1/12…1/15
4…7
h
9
b
0…2
l
m
l
R
Клееные фанерные балки
i £ 1/10
6...18
1/8...1/12
3...5
0...1,5
h
4
12
13
Таблица 3
Продолжение табл. 3
Сквозные деревянные конструкции
Вид и схема
Вид и схема
l, м
h/l
kсв
kм, %
а
s/3
h
s/3
12
1/6...1/7
а
а
h
Сегментные клееные фермы
с металлическим нижним поясом
2,5...3
2,5...3
20...30
l/3
l/2
l
l
s/5
h
s/5
l/4
21...30
1/6...1/7
l/4
h
s/6
l/5
3...4
25...35
10...20
l
s/6
1/6...1/7
1/5...1/7
4...5
20...30
Треугольные фермы из бревен и брусьев на лобовых врубках
2,5...3,5 20...30
h
s/5
21...30
12...24
Брусчатые
9...12
l/2
h
h
l /3
kм, %
Клееные
l/2
s/4
1/6...1/7
kсв
Треугольные четырехпанельные со сжатыми раскосами
и металлическим поясом
20...30
l
15...24
h/l
l
l/2
s/4
а/2
l, м
1/5...1/4
6...4,5
5...20
4...2,5
30...35
l
s/6
36
1/6...1/7
2,5...3,5 20...30
Треугольные фермы из брусьев на лобовых врубках
c металлическим поясом
l /5
l
Расстояние между
узлами < 3 м
10...18
1/5...1/4
h
Многоугольные брусчатые фермы
с металлическим нижним поясом
а
а
h
а/2
12
1/6...1/7
3...4
l
25...35
Дощатые с соединениями на металлических зубчатых пластинах
l
h
а
h
l/3
а
а/2
15
1/6...1/7
3...4
25...35
l
l/2
l/3
l/3
9...15
l/2
l
h
а
а
а а /2
18
1/6...1/7
3...4
25...35
l
14
15
1/5...1/7
2,5...3
3...5
Окончание табл. 3
Вид и схема
l, м
h/l
kсв
kм, %
1/8...1/4
8...6
20...25
Шпренгельные системы
l
6...15
h
h
l
l /2
~ l /4
h
Арки сквозные
h
20...60
1/7...1/4
h1/l =
5...3
7...12
(без затяжек),
20...25
(со
стальной затяжкой)
В техническом проекте размеры сечения стойки в плоскости рамы
задаются ориентировочно в зависимости от ее высоты и конструкции: h
1ö
1ö
æ1
æ1
... ÷ ,
для клеедощатых ç ... ÷ от высоты, для клеефанерных – ç
12 ø
15 ø
è8
è 10
1ö
æ1
æ1
для стоек на колодках – ç ... ÷ , для решетчатых – ç ...
15 ø
è 12
è5
b – в зависимости от сечения пиломатериалов.
Опирание стойки производится на фундамент, выступающий
отметкой пола до 15 см.
1ö
÷;
8ø
над
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАРКАСА ЗДАНИЯ
Пролет клееных арок очень велик (свыше 100 м). Трехшарнирные
рамы могут перекрывать пролеты до 30 м. По рекомендации преподавателя могут использоваться конструкции, приведенные в новейших иностранных и отечественных источниках, а также разработанные кафедрой СПбГАСУ (например, с применением фанерных и стеклопластиковых
труб).
Высота здания определяется студентом с учетом высоты ригеля
или же дается в задании (в случае основных несущих конструкций
в виде арок и рам). Высота обычно считается от отметки уровня пола
до конька.
Каркас состоит из поперечных рам, прогонов, настилов или кровельных панелей (под листовые кровельные материалы), обрешетки (под
стальные и черепичные кровли), вертикальных и горизонтальных связей, элементов стенового каркаса, продольного и торцевого (рис. 6).
Вся эта конструктивная схема служит для восприятия вертикальных и горизонтальных нагрузок и передачи их на фундаменты. Вследствие малых температурных деформаций температурные швы в деревянных зданиях не делают.
Стойки фахверка предназначены для восприятия горизонтальных
(ветровых) давлений на торец. Размеры стоек определяются их высотой
и расстоянием между ними, которое зависит от размеров стеновых панелей и проемов.
Нагрузки на торец через фахверковые конструкции передаются на
стойки, связанные с плоскостью покрытия, и через этот диск – на торцевой связевой блок и их фундаменты.
Конструкции стенового ограждения (их толщину определить
теплотехническим расчетом) опираются на систему ригелей или примыкают к стойкам каркаса. Для стен целесообразно применять дощатые
или клеефанерные щиты (панели) с использованием при наличии химической агрессии полимерных материалов (композитов), например листов поливинилхлорида.
Шаг основных поперечных рам в деревянных конструкциях составляет 3…6 м. При очень большой нагрузке ставят спаренные поперечные
конструкции или уменьшают шаг.
16
17
l
= 1/25...1/15
Решетчатые стойки (при наличии крана)
Высота
h0 / h =
6...15
= 1/5...1/8
–
–
h
l
h0
Примечание. k м =
h0
масса металла
× 100 % ; kсв – коэффициент собственного
о
масса фермы
веса.
Вариант 2
Связи в
плоскости
покрытия
Стойки фахверка
hф = 4,0…6,0
Вариант 1
Покрытие
Прогоны
hф = 3,5…3,0
А
Вертикальные связи
h=2,0
Настил
4,0…6,0
5,0…6,0
Б
10 … 30 м
1
Связи
в плоскости
стены и фахверка
10 … 30 м
Поперечная рама
Ф
Ф
Ф
Рис. 7. Схемы вертикальных связей
N
Элементы
связей
Жесткий связевой блок
Основные стойки
Ф
4,0…6,0
Рис. 6. План расположения основных несущих конструкций и связей
Стеновые
ригели
При проектировании каркаса следует не только определить его прочность и жесткость, но и обеспечить устойчивость всего каркаса и его
частей.
Вертикальные и горизонтальные связи создают жесткий пространственный блок из двух ферм (балок). Связи в плоскости верхних поясов
обеспечивают устойчивость верхних сжатых поясов балок (ферм, арок)
с помощью прогонов, прикрепленных к верхнему поясу. Горизонтальные связи по нижним поясам ферм устраивают в пролетах, примыкающих к торцам. Эти связи воспринимают ветровую нагрузку на торец,
когда фахверковые стойки примыкают к нижним поясам ферм. В других
случаях связи по нижним поясам не выполняют из-за отсутствия значительной крановой нагрузки. Вертикальные связи соединяют фермы попарно в продольном направлении и удерживают конструкции в вертикальном положении в процессе монтажа и эксплуатации. Они могут различаться конструктивно в зависимости от шага и высоты поперечных
конструкций (рис. 7).
Связевые фермы передают сжимающие усилия, и влияние подкосов велико: они включаются в работу при углах примыкания к поясам
конструкций, близких к 35…50° (рис. 8).
Важно помнить, что в жестких связевых блоках оконные, воротные и дверные проемы не выполняют.
В торцевом фахверке стойки имеют свой фундамент, и верх стойки, как уже было сказано, должен быть закреплен для передачи горизонтальной нагрузки на кровельный диск (прогоны, кровельные панели) или
на горизонтальную ветровую ферму по низу поперечных конструкций
(ферм, балок и т. д.). Торцевые стойки рассчитывают как сжато-изогнутые стержни (верхнее и нижнее закрепления считают шарнирами).
Все связи проверяют на предельную гибкость (lсв = 200) или рассчитывают на сжимающее усилие, равное 0,15…0,2 от максимального
усилия в верхнем поясе поперечной конструкции.
18
19
Основная
стойка
а
б
Рис. 8. Схема расположения связей в продольных (а) и торцевых стенах (б)
После решения перечисленных вопросов и согласования их
с преподавателем выполняют лист технического проекта в масштабах:
технический проект – 1 : 100 (1 : 200), конструктивные узлы и детали –
1 : 1 (1 : 20).
4. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ
ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЗДАНИЯ
Каркас здания представляет собой пространственную систему, которую для расчета расчленяют на плоские. Поперечная рама является
основной частью каркаса.
Расчет ведут, начиная с элементов крыши (прогонов и системы обрешетки, либо настилов или кровельных панелей), затем переходят
к фермам, стойкам и конструкциям фундамента.
При расчете поперечной конструкции принимают следующие допущения:
а) решетчатый или сплошной ригель считают абсолютно жестким;
б) стойки защемлены в фундаменте и шарнирно соединены с ригелем;
в) в случае применения рам или арок (см. рис. 5) стойки жестко
соединены с ригелем и шарнирно с фундаментом. Рамные и арочные
системы в большинстве случаев принимают статически определимыми
(рамы – трехшарнирными, арки могут быть двухшарнирными, это зависит от размеров, условий изготовления, перевозки и монтажа).
От статически неопределимых схем в деревянных конструкциях
стараются избавиться ввиду податливости применяемых соединений,
которая искажает картину напряженно-деформированного состояния
(НДС) и приводит к значительному отклонению возникающих в конструкции усилий от рассчитанных;
г) ветровую нагрузку на участке от верха до конька по вертикали
принимают сосредоточенной и приложенной к верху стойки, за исключением отдельных случаев (например, ригель скатный с большим углом
наклона, что бывает в случае треугольных форм, или криволинейного
либо многоугольного очертания верхнего пояса ригеля).
Расчет настилов. Под рулонные кровельные материалы, которых
в настоящее время существует множество, устраивают одиночные настилы (под теплые рулонные кровли) и двойные (под холодные рубероидные кровли).
Чаще применяют двойные настилы из досок (рис. 9).
20
Рабочий
настил
Прогоны
Защитный
настил
Поперечные конструкции (фермы, балки и пр.)
Рис. 9. План расположения конструкций покрытия при применении настилов
Верхний настил, называемый защитным, и играющий роль опалубочного, выполняют из сравнительно тонких (13…16 мм) и нешироких
досок (100…125 мм). Это нужно, чтобы в процессе эксплуатации вследствие температурно-влажностных деформаций досок не образовались
опасные для эксплуатации листового кровельного материала щели, а на
поверхности опалубки не возникли «горбы» и «впадины». Защитный
настил не рассчитывают.
По настилу для утепления кровли укладывают слой пароизоляции
(со стороны помещения) и жесткий утеплитель (пенобетон, газобетон,
пеносиликат, пенопласт с плотностью не ниже 40 кгс/м3 (0,4 кН/м3)
и др.). Сверху устраивают стяжку для приклейки рулонной кровли или
прикатки наплавляемой.
Рабочий настил, воспринимающий всю вышележащую нагрузку,
выполняют согласно расчету из досок толщиной 19…32 мм и шириной
125…200 мм. Между досками оставляют зазоры 20…50 мм для лучшего использования несущей способности, снижения массы и проветривания обоих слоев.
Защитный настил укладывают под углом 30…45° к рабочему. При
наличии косого защитного настила устройство связей в плоскости ска21
тов не обязательно. Иногда в связевом блоке могут быть уложены два
косых настила.
Рабочий настил рассчитывают
на прочность и жесткость. При
g
этом скатные составляющие не
учитывают.
При определении нагрузки на
a
элементы покрытия следует иметь в
1
виду, что их собственный вес, действующий в вертикальной плоскости
1сosa
на участке поверхности покрытия
S0
длиной по скату, равной единице, составляет g, кН/м2, ската (рис. 10).
S1
Тогда от снеговой нагрузки величиной S0 на 1 м2 плана (определенной по [2]) на 1 м2 по скату действует
давление S1 = S0 cos a.
a
При этом следует учитывать
W
расположение нагрузки на покрытии
(с учетом сползания снега), с которым
связан коэффициент перехода от веса
1
снегового покрова земли к снеговой
нагрузке на покрытие в соответствии
Рис. 10. Действие нагрузки
с пп. 5.3…5.6 [1].
от снегового покрова и ветра
на наклонную поверхность ската
Ветровой напор W действует
перпендикулярно поверхности ската.
На единицу площади поверхности ската в вертикальной плоскости действует суммарная нагрузка q = [g + S0 cos α + W ] × 1 .
Составляющие
нагрузки
и q y = g sin a
q x = g cos a + W
(рис. 11) позволяют произвести дальнейший конструктивный расчет в соg
gх
ответствии с требованиями [1].
Расчет настила ведут только на
gy
a
вертикальную нагрузку, поскольку
скатная составляющая мала из-за неРис. 11. Разложение вертикального больших уклонов подобных кровель.
давления на составляющие
В случае криволинейного покрытия,
помимо этого следует учитывать некоторое уравновешивание составляющих gy и gx (см. рис. 11). Ветровой напор при углах a £ 30° практически отсутствует.
Расчет ведут для двух сочетаний нагрузок (рис. 12):
1) собственный вес + вес снега
M = - 0,125q p l 2 , q p = g p + S 0 ×1 × 1,
где М, M ¢ – изгибающие моменты для соответствующих нагрузок;
¢ – максимальный прогиб.
f max
M
При втором сочетании нагрузок
g+S0
расчетные сопротивления древесины
изгибу умножают на коэффициент
mн = 1,2 для учета динамики монтаж+M
ной нагрузки.
l
l
Расчет нагрузок на прогиб из-за
кратковременности их действия при 0,432l Pp
–M
втором сочетании не производят.
Расчет выполняют по схеме
двухпролетной балки для полосы настила шириной 100 см. Более подроб+M
но указанные расчеты изложены
в работах [1, 26].
Рис. 12. Схема расчета
Если расстояние между осями
настила и обрешетки
досок или брусков настила не превышает 15 см, считают, что сосредоточенный груз Р передается двум доскам (брускам). При двойном настиле сосредоточенный груз принимают
приложенным на ширине 0,5 м рабочего настила.
Расчет обрешетки. Обрешетку применяют в крышах с большим уклоном, поэтому при ее расчете учитывают действие скатной составляющей
gy (см. рис. 11). В этом случае применяют бруски сечением 40…70 мм (высота – ширина), работающие на косой изгиб. Поэтому проверку на прочность и жесткость обрешетки производят с учетом косого изгиба для тех
же двух сочетаний нагрузки, что и в случае настилов.
22
23
(
)
2,13q н l 4
;
384 EJ
2) собственный вес + действие сосредоточенного груза
¢ =
M ¢ = +0,0703q p l 2 ; f max
P p = P н g f = 1,0 × 1,2 = 1,2 кН; M ¢ = 0,073q p × l 2 + 0,207 P p × l ,
Бруски обрешетки также рассчитывают по схеме двухпролетной
балки. Поскольку их укладывают параллельно длинной оси здания, для
уменьшения пролета между поперечными основными конструкциями
(фермами, балками и пр.) вводят стропильные ноги с шагом, зависящим
от веса кровли и величины снеговой нагрузки (0,75…2,0 м). Таким
образом, величина пролета l в схеме на рис. 12 будет равна шагу
стропильных ног.
В общем случае прочность проверяют по формуле
s=
Mx My
+
£ Rи , прогиб f =
Wx W y
f x2 + f y2 £ f пред =
чае неразрезных или консольно-балочных прогонов шаг поперечных конструкций в пролетах, примыкающих к торцам, уменьшают на 20 %. Если
неразрезные прогоны имеют одинаковые пролеты по длине здания, то
в крайних пролетах их усиливают дополнительной (третьей) доской.
Бруски
обрешетки
Стропилины
(стропильные ноги)
l
, где f пред –
150
предельный прогиб по [1].
Шаг брусков зависит от кровельного материала и равен для стальной кровли – 250 мм; для асбестоцементных листов – 450 мм или размеру листов; для металлочерепицы – 250 мм или размеру листов; для обычной черепицы – размеру гонта.
Более детально с расчетом можно ознакомиться по [9, 24].
Расчет стропилин. На рис. 13 показан план размещения конструкций покрытия при применении обрешетки. Стропила необходимы
для опирания на них брусков обрешетки, которые уложены вдоль ската,
поэтому прогоны не могут служить для них опорами. Обычно стропильные ноги выполняют из досок (40…60 мм) ´ (125…200 мм) и устанавливают с шагом, зависящим от района постройки и веса покрытия. Для их
расчета находят нагрузки g x на погонный метр ноги, перпендикулярные
скату, и проверяют прочность и жесткость заданного сечения [9, 10, 26].
Как видно из приведенных схем, почти всегда применяют прогоны
(случаи использования клеефанерных панелей и щитов будут рассмотрены ниже).
Расчет и конструирование прогонов. Прогоны покрытия могут
быть разрезными – из брусьев или бревен (реже из досок), неразрезными – из досок и консольно-балочными – из брусьев или бревен. Выбор
схемы прогонов зависит от расстояния между основными несущими
конструкциями. Консольно-балочные схемы применяют преимущественно при малых расстояниях (не более 4,5 м) и четном числе основных
несущих конструкций, а спаренные неразрезные – при нечетном числе,
малом уклоне верхнего пояса основной несущей конструкции
и больших пролетах (при шаге последних, например, больше 6 м). Расчет ведут с учетом расположения шарниров относительно опор. В слу-
Основные схемы прогонов показаны на рис. 14.
Прогоны рассчитывают при постоянной и временной нагрузках на
прочность и жесткость. Примеры расчетов представлены в работах [8, 9,
10, 26].
Прогоны укладывают по верхним поясам несущих конструкций
с шагом от 0,8 до 2,0 м (3,0 м в случае использования ферм на врубках).
Прогоны устанавливают вертикально (рис. 15, а) или наклонно
(рис. 15, б).
Последнее решение является более простым и поэтому предпочтительным. При наклонном расположении прогоны будут работать на косой изгиб. Однако, как правило, скатную составляющую нагрузки q y
удается передать на другие элементы крыши (жесткие в плоскости крыши дощатые щиты или перекрестные настилы, клеефанерные панели,
наслонные стропила, скрепленные в коньке) и рассчитать прогоны только на нормальную составляющую нагрузки q. В случае консольно-балочных или спаренных из двух досок неразрезных прогонов передача
скатной составляющей на другие элементы крыши является обязатель-
24
25
Прогоны
Поперечные конструкции
Рис. 13. План размещения конструкций покрытия при применении обрешетки
ной, потому что такие прогоны не могут воспринимать нагрузку, действующую в плоскости ската.
M пр = +0,125q p l 2
f =
g
5q н l 4
3,84 EJ
+M
l
Разрезные прогоны
q pl 2
16
q pl 2
M пр = +
16
2q н l 4
f =
384 EJ
M оп = -
–M
g
x
x
lкр = 0,8535l
+M
l
x = 0,1465l
Консольно-балочные прогоны
– M2
– Mп
– Mп
g
x
lкр = 0,7887l
x
x
+M
x
M2 = -
l
x = 0,2113l
M пр = +
Неразрезные прогоны
Рис. 14. Схемы прогонов
а
б
Рис. 15. Схема установки прогонов
26
q pl 2
12
q pl 2
,
10
если lкр = l
+M
l
M2 = -
q pl 2
24
Количество гвоздей в стыке неразрезных прогонов определяют
M оп
, где M оп – максимальный расчетный
2 х × Т гв
изгибающий момент; х – расстояние от оси опоры до оси вертикального
ряда гвоздей в месте стыка; Т гв – расчетная несущая способность одного
о
гвоздя на один условный «срез».
При разработке конструкции крыши необходимо показать на чертеже конструктивное решение, обеспечивающее восприятие усилий от
скатной составляющей, а также детали опирания прогонов на основную
несущую конструкцию, их закрепление, детали конструкции прогонов
и их стыков.
Расчет и применение клеефанерных панелей. Клеефанерные панели укладывают непосредственно на основные конструкции без применения прогонов. Возможна укладка панелей по прогонам (например,
по двухпролетной схеме).
Высоту таких панелей определяют из условия прочности, жесткос1
1
...
ти и теплотехнического расчета, она должна составлять
проле25 35
та. Ширину определяют из условий размещения и монтажа, а также
с учетом стандартных размеров фанерных листов (1200 и 1500 мм).
Основу панели составляют продольные ребра из досок толщиной
30…50 мм. Обшивки из фанеры приклеиваются к ребрам и включаются
в совместную работу с ними. Для устройства стыков листов фанеры
и в торцах устанавливают поперечные ребра. Внутри панели укладывают пароизоляцию (например, слой клея) и термозвукоизоляцию. Верхняя обшивка (8…12 мм) обычно толще
нижней (6…8 мм). Клеефанерные панели рассчитывают как балки на двух опоqp
рах (рис. 16). Ввиду совместной работы
деревянных ребер и фанерных обшивок,
l=B
имеющих разные модули упругости, конструктивный расчет следует выполнять Рис. 16. Расчетная схема панели
методом приведенного сечения. Приве- (В – шаг поперечных (основных)
конструкций, на которые
дение делают к наиболее напряженному
опираются панели)
материалу, в котором определяют напряжения.
В общем виде приведение можно записать так:
расчетом по формуле n =
27
Bпр = Bф + Bдр
Едр
Положение нейтральной оси (центра тяжести):
,
Еф
где Bпр – приведенная характеристика (приведенные момент инерции,
площадь или статический момент); Bф – геометрическая характеристикаа
обшивки относительно нейтральной оси; Bдр – геометрическая
характеристика ребер; Е др – модуль упругости древесины; Еф – модуль
ль
упругости фанеры вдоль или поперек волокон лицевого шпона.
При определении приведенных геометрических характеристик поперечного сечения панели ширину фанерных обшивок принимают на
10 % меньше действительной ширины в свету ( Bрасч = 0,9b ).
Представим схему расчета геометрических характеристик сечения
плиты способом приведенного сечения (рис. 17).
m=
E др
А = Врасч × d н ;
Еф ; н
Ав = Врасч × d н ; h = d н + hp + d в ;
Ар = hр × bp × m ; Aпр = Ан + Ав + Ар .
dв
0
н.о.
y0
Bрасч
Рис. 17. Расчетная схема
Статический момент относительно нижней плоскости обшивки
(0 = 0):
hp ö
æ
d
d ö
æ
= Ан × н + Ав ç h - в ÷ + Ар çç d н + ÷÷ .
2
2ø
2ø
è
è
28
Аф
;
2
d ö
æ
+ Ав ç h - y 0 - в ÷ ;
2 ø
è
d ö
æ
в
S пр.ф
= Ав × ç h - y 0 + в ÷ ;
2 ø
è
0
в
S пр.ф
= S пр.ф
+
1
bp × (h - y 0 + d в ).
2m
Далее определяют:
1. Нормальные напряжения в растянутой обшивке
0
hp
Sпр.ф
J пр.ф
S пр.ф
2
2
éh 1 æ
hp
ö ù
dн ö
p
æ
- S н ÷÷ ú +
= Ан × ç y 0 ÷ + Аp ê × + çç y 0 2 ø
2
ê2 3 è
è
ø úû
ë
s=
hp
dн
y0 =
M
J пр.ф
y 0 < Rф. p × mф ,
где mф – коэффициент снижения прочности фанеры в стыке «на ус»
(следует принимать 0,8); M = 0,125q p l 2 ; Q = 0,5q p l .
2. Устойчивость сжатой обшивки
s=
M
(h - y 0 ) £ Rф.c ;
J пр.ф × j ф
jф = 1 -
1250
2
2
a
æ a ö при æç ö÷ ³ 50 ,
ç ÷
èdø
èdø
29
2
æaö
ç ÷
2
a
èdø
где а – расстояние между ребрами в свету; j ф = 1 при æç ö÷ < 50 .
5000
èdø
3. Местный изгиб верхней обшивки от сосредоточенного груза (монтажник с инструментом Р = 1,2 кН), М = Рс / 8, где с – расстояние между
осями ребер
s=
M
bd 2
£ Rф 90 × mн ; W = в , mн = 1,2; b = 1,4 м.
W
6
В результате этой проверки уточняют шаг продольных ребер и толщину верхней обшивки.
4. Скалывающее напряжение по клеевому шву в местах приклейки
верхней обшивки к ребрам (y опор)
t=
в
QS пр.ф
£ Rф.ск .
J пр.ф bp
5. Прочность ребер на скалывание по нейтральной оси (yопор)
t=
0
QS пр.ф
J пр.ф bp
£ Rск. др ,
0
где Sпр.ф
– статический момент части сечения, отсеченной выше ней-
тральной оси, приведенный к фанере.
6. Жесткость панели
q нl 4
5
f =
384 0,7 E J
ф пр.ф
30
Кровельные панели могут иметь обшивки из асбестоцемента, которые крепят к ребрам шурупами. Расчет ведут отдельно для верхней
обшивки и дощатых ребер.
При использовании обшивок из стеклопластика расчетная ширина
Врасч = 0,95å а1 + å bp . В остальном схема расчета соответствует приведенной выше: Есп = 1400 кН/см2 для листов стеклопластика КАСТ
и Есп = 300 × 0,65 = 195 кН/см2 – для прозрачного стеклопластика.
Если применяют трехслойные панели типа «сэндвич» из гофрированных алюминиевых обшивок и пенопласта, то, помимо проверки обшивок на действие нагрузки по нормальным напряжениям и на срез среднего слоя, требуется расчет на действие температуры. Подробнее с подобными панелями можно ознакомиться в работах [18, 30, 31 и др.].
В покрытиях применяют также щиты двух типов: несущие и кровельные. По несущим щитам укладывают диагональные бруски, создающие необходимый зазор для утеплителя, а по ним – кровельные щиты [26].
5. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ОСНОВНОЙ
НЕСУЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ
Закончив расчет и конструирование элементов крыши, переходят
к расчету поперечной рамы каркаса. Для этого следует определить действующие на нее нагрузки: вес покрытия и связей; собственный вес поперечной конструкции (ригеля); снеговую нагрузку; эксплуатационные
нагрузки (от тельфера, подвесного потолка, устройств на покрытии
и т. п.); ветровую нагрузку.
Вес крыши удобно определять с отнесением его к квадратному
метру горизонтальной проекции покрытия, поскольку в СНиП «Нагрузки
и воздействия» относят снеговую нагрузку к квадратному метру
горизонтальной проекции. Если вес скатной крыши составляет gпокр
(кН/м2 ската), то на горизонтальную проекцию покрытия следует
гориз
принимать g покр =
l
£ f пред =
200 .
g покр
cos a
[кН/м2 гор.пр], где a – угол наклона. Если
гориз
очертание крыши криволинейное или многоугольное, то g покр =
= g покр ×
S
[кН/м2 гор.пр], где S – длина дуги покрытия. Помимо этого,
l
31
следует учитывать расположение снеговой нагрузки на крыше с помощью
коэффициента приведения m. При a < 25° m = 1, при бóльших углах m
определяется по интерполяции. При криволинейном или ломаном
l
, где l – пролет конструкции; f – величина
8f
стрелы подъема конструкции.
Для определения собственного веса конструкции (со связями)
следует воспользоваться формулой
очертании покрытия m =
н (p)
g с.в
=
гориз. н (p)
g покр
+ S 0н (p)
1000
-1
k с.в × l
,
гориз
где g покр
– вес покрытия, отнесенный к горизонтальной проекции;
S 0н (p)
Величины снеговой (S0) и ветровой (W) нагрузок определяют
по СНиП 2.01.07–85* с изменениями, внесенными Росстроем в 2003 г.,
в зависимости от района строительства.
Примеры определения указанных нагрузок приведены в литературе [8, 9, 17, 20].
Для расчета ригелей необходимо определить суммарные постоянные и временные нагрузки в виде распределенных – для расчета арок,
рам и балок и сосредоточенных (узловых) – для расчета ферм. Узловые
нагрузки (постоянные и временные) получают умножением соответствующей суммарной нагрузки на грузовую площадь в плане, приходящуюся на узлы. Получив таким образом картину нагрузок, приложенных
к конструкции, определяют усилия в ее стержнях. Для этого строят диаграмму Максвелла – Кремоны, или используют способ вырезания узлов либо компьютерные программы и справочники [9,11].
Для определения расчетных усилий пользуются таблицами типа
табл. 3, 4.
Таблица 3
– нормативное (расчетное) значение снеговой нагрузки в соответ-
ствии с заданным районом постройки; k с.в – коэффициент собственногоо
веса конструкций, определяемый по таблицам (см., например, табл. 2, 3).
С учетом очертания крыши
н (p)
g с.в
или
н (p)
g с.в
g пн (p)
+ μ S0н (p)
cos a
,
=
1000
-1
kс.в × l
=
S
+ m S 0н (p)
l
.
1000
-1
k с.в × l
g покр ×
Усилия в элементах фермы
Элементы
и опорные
реакции
Обозначения
стержней
Усилия от единичной узловой нагрузки
Р = 1 или распределенной нагрузки q = 1
слева справа полной
Верхний
пояс
Нижний
пояс
Раскосы
Стойки
Опорные
реакции
Индексы «н» – нормативное значение; «р» – расчетное.
32
33
Усилия от
Распостоян- Усилия от снеговой четные
ной узлонагрузки
усилия
вой
S, кН/м
нагрузки слева справа полной + –
Р, кН
Таблица 4
Усилия (кН/м) в сечениях сплошных распорных конструкций
Номер
сечения
Усилия от
единичной погонной
Усилие
нагрузки q = 1
на половине
пролета
на всем
слева справа пролете
M
N
Q
Усилия от Усилия от снеговой Распостоянной
нагрузки
четные
S
нагрузки,
усилия
по всему
+ –
пролету
на половине
q
пролета
слева
справа
xм =
l h0
,
2hср
где l – пролет балки (ригеля рамы); h0 – высота балки в опорном сечении;
hср – высота балки в середине пролета.
При несимметричных (односкатных) балках
l
xм =
1+
hср
.
h0
При двускатных балках с консолями (рис. 18)
i
xм =
Вертикальные опорные реакции
Распор
i
2
l h0 + 2ia .
2hср
hср
h0
хм
a
b
l
a
Рис. 18. Двускатная двухконсольная балка
При расчете арок или рам (сплошных) сначала определяют опорные реакции и распор, затем находят изгибающие моменты М, нормальные усилия N и поперечные силы Q.
При очертании верхнего пояса в виде кривой (сегментные фермы),
многогранника (многоугольные фермы) и ломаной линии (фермы с особым очертанием верхнего пояса, например, в покрытиях спортивных
зданий для устройства естественного освещения) даже при равных расстояниях между узлами верхнего пояса усилия, приложенные к узлам,
неодинаковы, так как проекции при разном наклоне отрезков разные.
Рассмотрим разные виды ригеля в схеме I на рис. 1. Если ригель
представляет сплошную конструкцию балки на двух опорах, действующие внутренние усилия (момент, нормальную и перерезывающую силы)
определяют как минимум в трех сечениях: опорном, в середине пролета
и на расстоянии хм (хм – расстояние от левой опоры до места опасного
сечения, где нормальные напряжения максимальны при переменной
высоте ригеля). Для односкатных и двускатных балок, имеющих прямоугольное поперечное сечение (как правило, клеедощатых),
34
Если балка имеет двутавровое (коробчатое) сечение (является
клеефанерной) при уклоне i = tga , k =
h0
, для двускатной балки
l ×i
æ
ö
l
xм = k çç 1 + - 1÷÷ .
k
è
ø
i
i
h0
Для балки на рис. 19
a
æ
ö
l a2
x м = k ç 1 + + 2 - 1÷ .
ç
÷
k k
è
ø
хм
l
a
Рис. 19. К расчету балки на рис. 18
35
Для балки на рис. 20
a
æ
ö
l2 + a2 a2
xм = k ç 1 +
+
- 1÷ .
2
÷
ç
lk
k
è
ø
хм
Рис. 20. К определению хм
снижения жесткости фермы из плоскости), и расстояние между узлами
верхнего пояса может составить 3…8 м. В этом случае прогоны устанавливают между узлами, и пояс работает на сжатие с изгибом. Действующий момент в панели фермы можно уменьшить эксцентричным приложением нормальной силы и созданием таким образом момента с обратным знаком (разгружающего момента, рис. 22).
а
Если указанные балки-ригели загружены произвольной (по закону
распределения) нагрузкой, xм следует определять по работе [3].
Далее производят расчеты прочности на изгиб по s, t и проверку
жесткости. Более подробные сведения можно получить из работ [3,17].
В случае клеефанерных балок следует предварительно прочитать
учебник [4]. Подчеркнем, что расчеты производят по приведенному сечению (см. выше). Большое значение имеют проверки стенки по
главным напряжениям и на устойчивость. Заметим, что фанерные листы в балках (в отличие от
панелей) работают на изгиб
а
б
в другой плоскости (рис. 21).
Исследованиями установРис. 21. К работе фанерного листа:
лено,
что при работе в балках Еф
а – в панели; б – в балке
на 20 % выше (1,2 Еф), что и рекомендуют более поздние, чем СНиПы, литературные источники. Более
подробно можно ознакомиться с примером расчета балок
с плоской и волнистой стенками в работах [3, 17, 27].
Если ригель представляет собой решетчатую конструкцию (ферма), его рассчитывают как обычную стержневую конструкцию с применением нагрузок в узлах (см. выше) и определением усилий во всех элементах, после чего расчет и конструирование фермы начинают с подбора сечений верхнего и нижнего поясов. Верхний пояс фермы следует
рассчитывать на центральное сжатие при узловом расположении прогонов, что характерно для ферм построечного изготовления с узлами на
врубках. В этом случае расстояние между узлами ограничено 3,0 м
(во избежание получения очень большого поперечного сечения).
В современных фермах индустриального (заводского) изготовления стремятся к уменьшению количества узлов (из-за многодельности и
36
Центр тяжести
сечения элемента
hвр
h
Лобовой упор
Вкладыш
е = hвр / 2
б
qp
1
x
Справедливо N e = (M - N e ) .
e
N
Е = (h – hвкл) / 2
N
l
Nе
(M - N e ) 1
x
Рис. 22. Внецентренное стыкование элементов верхнего пояса (а)
и расчетная схема верхнего пояса (б)
Из выражения на рис. 22 следует, что оптимальное значение
М
. Задаются x = 0,6…0,7. Не следует
N (1 + x )
применять эксцентриситеты, превышающие 0,25 высоты сечения
верхнего пояса.
В сегментных фермах прибегать к внецентренному решению узлов
не требуется, так как за счет выгиба элементов возникает момент
с обратным знаком M расч = M q - N f 0 (рис. 23).
эксцентриситета eопт =
В отдельных случаях, когда имеет место нецентрированное
присоединение решетки в узлах, учитывают возникающие при этом
37
изгибающие моменты. Сечение поясов подбирают по максимальным
расчетным усилиям с учетом гибкости (lпред £ 120) и принимают
постоянным по всей длине фермы. Затем расчетом определяют сечения
элементов решетки (lпред £ 150) и принимают по мере возможности
минимальное количество их типоразмеров. Конструирование и расчет
узлов начинают с опорного.
q
Стрелка выгиба
N
l
f0 =
R
l2
, где l – длина хорды,
8 R стягивающей концы дуги
M разгр = N × f 0
M раcч
Мq
Рис. 23. Расчетная схема панели верхнего пояса сегментной фермы
При проектировании надо учесть необходимость устройства
стыков нижнего пояса и строительный подъем (
1
l ). Строительный
200
1
l ).
300
Для удобства конструирования размеры сечения (по ширине) всех
элементов (поясов, стоек, раскосов) в плоскости конструкции принимают постоянными. Рекомендуемый сортамент пиломатериалов приведен
в табл. 5.
Опыт проектирования деревянных конструкций показал, что основной формой сечения клееных элементов является прямоугольная,
формируемая из пакета досок, склеенных по пластям синтетическими
клеями (чаще резорцино-формальдегидными).
Таблица 5
Рекомендуемый сортамент пиломатериалов
Ширина, мм
Толщина,
мм
100
125
150
175
200
225
250
275
16
19
25
32
40
50
60
75
100
125
150
175
200
225
250
275
100
100
100
100
100
100
100
100
100
–
–
–
–
–
–
–
125
125
125
125
125
125
125
125
125
125
–
–
–
–
–
–
–
150
150
150
150
150
150
150
150
150
150
–
–
–
–
–
–
175
175
175
175
175
175
175
175
175
175
175
–
–
–
–
–
–
–
–
–
200
200
200
200
–
200
–
200
–
–
–
–
–
–
–
–
225
225
225
225
–
–
225
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
250
250
250
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
275
Примечание. Размеры пиломатериалов по длине установлены с градацией
0,25 м (от 1 до 6,5 м).
Пакеты, комплектуемые по ширине из двух и более досок (балки,
арки и рамы большого пролета), имеют припуски на фрезерование кромок досок перед склеиванием. Слои многослойных клееных элементов
перед склеиванием по пласти фрезеруют с двух сторон по припускам,
величина которых указана в табл. 6.
Таблица 6
подъем придают и ригелям-балкам (для клееных
38
Величина припусков
Номинальная
толщина заготовок,
мм
Припуск при номинальной ширине заготовок, м
55…95
95…195
Свыше 195
До 30
5,0
5,5
6,0
Свыше 30
7,0
6,0
6,5
39
Толщина пиломатериала должна приниматься с учетом того, что
склеиваемые слои, как правило, не превышают 33 мм. В криволинейных
1
1
...
элементах толщина слоев должна быть в пределах
радиуса,
250
500
в прямолинейных она может быть 42 мм, но при этом в них должны
быть сделаны продольные прорези. Ширину пакета определяют с учетом
припуска на фрезерование с фугованием с двух сторон: при b = 100 мм
припуск – 10 мм; при b до 175 мм – 15 мм.
С учетом сказанного формируют сечения элементов.
Более подробно о сечении клеефанерной конструкции можно прочесть в работах [3, 9, 17]. Примеры расчета и конструирования различных ригелей-ферм приведены в следующей литературе:
расчет треугольных четырехпанельных шпренгельных
[7] (верхний пояс брусчатый
с металлическим нижним поясом
на пластинчатых нагелях), [8] (верхний пояс – клеедощатый);
треугольных четырехпанельных со сжатыми раскосами и стальным
поясом
[7] (верхний пояс на пластинчатых нагелях), [8] (верхний
пояс клеедощатый);
треугольных ферм на врубках [9, 20, 21], полигональных на
врубках [9];
пятиугольных
[8, 9];
трапецеидальных ферм со сжатыми опорными раскосами [8];
многоугольных брусчатых ферм с металлическими и деревянными
нижними поясами [8];
сегментных ферм с металлическими нижними поясами [6, 8, 17,
20, 21], с деревянным нижним поясом [6, 8].
арочные системы распорные криволинейные [8, 25, 29],
прямолинейные [8, 17, 20, 29];
арки трехшарнирные [9,17, 25, 29], стрельчатые [17, 29];
рамы ломаного очертания [9, 17, 28], гнутоклееные рамы [21, 29].
6. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ
ОСНОВНОЙ СТОЙКИ КАРКАСА
тикальных стоек, жестко закрепленных в фундаментах, и шарнирно прикрепленных к ним ригелей, о которых сказано выше.
Стойки подобных рам, а также торцевых стен (фахверка) выполняют из цельных или соединенных податливыми связями (чаще болтами)
брусьев, из клееных пакетов (клеедощатые) или с использованием фанеры (клеефанерные). Стойки могут быть также решетчатыми из брусьев.
Выбор конструктивного решения зависит от схемы и высоты каркаса, действующих нагрузок, условий эксплуатации и технологических
возможностей изготовления конструкций.
Решетчатые стойки применяют при наличии в пролете крана грузоподъемностью не более 5 т. В этом случае стойка состоит из двух частей: решетчатой подкрановой и сплошной надкрановой. Ветви обычно
планируют парными с промежутками, в которые заходят элементы решетки, присоединяемые болтами.
Торцевые стойки крепят к фундаментам и покрытию (либо к нижним поясам поперечных конструкций, например, ферм) шарнирно.
В зависимости от высоты и величины ветрового напора они могут быть цельными (из брусьев), составными на болтах, реже клееными. Клееные стойки
двухшарнирных рам и торцевых стен применяют в зданиях выше 4 м.
Статический расчет. Для определения усилий в стойке продольного фахверка рассматривают двухшарнирную раму (основа каркаса здания) под воздействием вертикальных нагрузок (покрытие, вес стенового
ограждения, несущей конструкции (ригеля), стойки; нагрузки от тельфера, крана, вес снегового покрова) и горизонтальных (рис. 24).
m, S
gпoкp
m, S
+H
W1
h
Nв
Nп
W2
W1
х
x
Н
Н
l
Wакт
Wотс
а
б
Стойки входят в состав двухшарнирных рам (см. рис. 1, схема I),
широко применяемых в деревянных каркасах. Такая рама состоит из вер-
Рис. 24. Расчетная схема рамы (а) и стойки (б)
40
41
Так как двухшарнирная рама единожды статически неопределима,
за лишнюю неизвестную при допущении бесконечно большой жесткости
ригеля принимают продольное усилие Х в ригеле на уровне верха стойки
по оси нижнего пояса ригеля. Интенсивность горизонтальной (ветровой)
нагрузки определяют согласно СНиП 2.01.07–85* с учетом района
постройки, высоты здания, открытости застройки.
С наветренной стороны действует расчетная нагрузка
p
Wакт
= W0 K B C e1 γ f
интенсивностью
(все
обозначения
по
СНиП 2.01.07–85*). С подветренной стороны действует отсос:
p
Wотс
= W0 K B C eа γ f , где коэффициент надежности по нагрузкее
γ f = 1,4; W1p и W2p – расчетные сосредоточенные ветровые нагрузки на
уровне верха стойки;
р
р
W1p = Wакт
h , W2p = Wотс
h
(h – высота опорной части ригеля, на
которой действует ветровой напор). При использовании в качестве ригеля
треугольных, многоугольных и сегментных ферм h = 0 и W1p = W2p = 0;
(
p
)
p
W - W2
3
p
p
. В последнем случае второе слагаеWакт
- Wотс
H+ 1
16
2
мое отсутствует.
Собственный вес стойки обычно невелик, но его следует учитывать, задавшись конструкцией и размером поперечного сечения стойки
(см. ниже).
Исходя из схемы на рис. 22 изгибающий момент в основании стойки
Х=
М=
р
Wакт
H2
+ (W1 - X )H .
2
Продольное усилие
N max = N пост + Gст + N вр ,
где N пост – опорная реакция ригеля от веса покрытия; Gст – собственный
вес стойки; N вр– опорная реакция ригеля от снеговой нагрузки.
42
Нагрузка от стенового ограждения часто не передается на стойку.
Сечение стойки определяют от действия N max , а прикрепление
стойки к фундаменту (жесткое защемление) рассчитывают на действие
да
N min = N max – N вр , т. е. при минимальной пригрузке конструкции, когда
анкерное прикрепление сопротивляется большей растягивающей
нагрузке от ветрового напора.
Стойки бывают сплошными, реже – решетчатыми. Сплошные стойки могут состоять из двух бревен или брусьев на колодках, клееные – из
досок или досок и фанеры (клеедощатые или клеефанерные).
Стойку рассчитывают как сжато-изогнутый элемент. Расчетная длина стойки в плоскости поперечной рамы равна l 0 = 2,2 Н (Н – высотаа
стойки). При отсутствии продольных горизонтальных связей между стойками рам по длине здания из плоскости рамы расчетную длину принимают равной ее фактической высоте, если такие связи есть, то расчетную длину принимают равной расстоянию между связями.
В случае составных стоек из-за большей податливости расчетную
длину увеличивают умножением на коэффициент m = 1,2:
l 0 = μ × 2,2 Н = 1,2 × 2,2 Н . При учете нескольких временных нагрузок
(снега, ветра, возможно тельфера) величины расчетных дополнительных
нагрузок умножают на коэффициент Y1 = 0,95. При проверке стойки
с учетом ветровой нагрузки расчетное сопротивление Rc увеличивают
на 20 % (умножением на mн = 1,2). Высота стоек Н лимитируется
максимальной длиной сортиментов: 6,5 м – для
бруса, 9,5 м – для бревен. Высота клеедощатых и
у
клеефанерных стоек не лимитируется.
Предварительный подбор сечения стоек
х
hст
(рис. 25). Предельная гибкость для стоек равна
120. При подборе размеров их сечения целесообразно (с учетом практик проектирования)
задаваться гибкостью 100. Тогда при l = 100
bст
и распорках (например, из бруса), располагаемых
2,2 Н
по верху стоек, λ х = 0,289h , а высота стойки
ст
hст =
Рис. 25. К подбору
сечения стойки
Н
Н
2,2 Н
Н
Н
= ; λу =
= .
; bст =
0
,
289
b
0,289 ´ 100 13
0,289 ´ 100 29
ст
43
æ1 1ö
и задаются шириной bст = ç ... ÷h с учетом размеров рекомендуемого
о
è2 4ø
сортамента пиломатериалов (см. табл. 7) и припусков на их обработку
при склеивании.
Высоту клеефанерных стоек принимают несколько большей:
даменту обычно при помощи металлических анкеров или вклеенных
стержней, замоноличиваемых в фундаментах. Усилия от анкеров передаются на накладки и связи (болты, винты, клей), соединяющие накладки со стойками. Предпочтительно применение клеевых соединений, так
как болтовые очень многодельны.
hр
æ1 1ö
Отсюда высоту сечения h ст принимают равной ç ... ÷ H
è 12 15 ø
æ1 1ö
æ1 1ö
hст = ç ... ÷ H , ширину – примерно в тех же пределах: bст = ç ... ÷h .
è 2 3ø
è 10 12 ø
æ1 1ö
æ1 1ö
Для стойки на колодках hст = ç ... ÷ H , bст = ç ... ÷h .
è 10 12 ø
è 2 3ø
В случае решетчатой стойки, которая рассматривается как ферма с
одним концом заделанным и другим – свободным, усилия в элементах
стойки определяют графическим или аналитическим способом. После
определения усилий в ветвях и решетке производят подбор сечения ветвей. При передаче вертикальной нагрузки на ветви усилия в решетке
возникают только от действия горизонтальных нагрузок. Расчетная гибкость ветвей стойки не должна превышать 120, а решетки – 150.
При расчетах на сжатие с изгибом в плоскости рамы проверяют
прочность клеедощатых сечений на сжатие и скалывание. Следует учесть,
что в стойках может применяться пиломатериал III сорта. Обязательна
проверка на устойчивость плоской формы деформирования по формуле
(33) СНиП II-25–80, а также проверка на устойчивость из плоскости рамы
как центрально-сжатого стержня.
Примеры расчета клеедощатых стоек приведены в работах [3, 17,
23], клеефанерных – в [6, 23]. В случае клеефанерных стоек расчет производят по приведенному сечению (см. гл. 4). При этом обязательны проверки стенки по главным напряжениям и устойчивости. Другие проверки рекомендуется выполнять согласно примеру, рассмотренному в [23]
с учетом нормативных изменений за последние годы. Проверку из плоскости производят без учета изгибающего момента, она отличается от
проверки плоской формы клеедощатых стоек. Примеры расчета сечения
составных стоек на колодках приведены в работах [6, 23].
Конструкция и расчет закрепления стоек в фундаментах представлены на рис. 24–29. Как видно из рисунков, стойки прикрепляют к фун44
pвр
pn
pвр
pn
Мmax
Nmin
13
Nр
20
20
sс
Nс
Рис. 26. Конструкция опорного узла стойки
с накладками на болтах
45
tср
Нс
lск
0,5Н
Нp
Нc
Nр
Nсм
sс
Nр
Nр
Nс
Nс
Рис. 27. Опорный узел клеедощатой стойки с накладками на клею
tср
tmax
0,5Н
Нс
tср
Nр
Рис. 29. Конструкция опорного узла клеедощатой стойки
на вклеенных стержнях
lск
0,5Н
sс
Nс
Рис. 28. Конструкция опорного узла клеедощатой стойки
с развитием подошвы опирания
46
Расчетное усилие в анкерных болтах N p определяется при самом
м
невыгодном загружении – при максимальной ветровой нагрузке и минимальной вертикальной нагрузке N min = N п , когда растягивающее усилие в рабочем анкере максимально (рис. 30).
Для стоек клеедощатых и на колодках
Nc =
l2 N п
N с
M
- п , где x - 1 3000 Aбр Rc .
(a + c )x а + с
47
б
a
По величине усилия, действующего на анкер N p , определяют диаметр анкеров и связей, крепящих накладки к стойке.
Для варианта конструкции прикрепления клеефанерной стойки
Np =
N
M
- п,
h0 x
2
где h0 = h - hп ; hп – ширина сечения пояса.
а.
7. ОФОРМЛЕНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ
И ЛИСТА ЧЕРТЕЖЕЙ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
в
Рис. 30. Конструкция и схема работы закрепления стоек в фундаментах
Для стойки на колодках a =
h - h1
h+d
; c=
.
2
2
Для клеедощатой стойки a =
h hc
h+d
; c= - ,
2 3
2
æ
hsc ö÷
где hc – длина площадки сжатия ç hc =
. При этом напряжения в
ç
÷
s
+
s
p
c
è
ø
основании стойки: sc =
M
N
M
N
bh 2 ;
+ п ; sр =
- п ; Wосн =
Wосн x Аосн
Wоснx Аосн
6
Aосн = bh .
48
Пояснительную записку выполняют ручкой или на компьютере.
Кроме раздела «Технический проект», она должна содержать описание
принятой конструкции крыши, расчеты основной несущей конструкции,
стойки и ее защемления в фундаменте.
Записка должна быть составлена четко и ясно, содержать необходимые схемы и эскизы, ссылки на литературные и нормативные источники.
На листе вычерчивают (по возможности с применением компьютера) половину рамы (фермы, арки, балки) со стойкой, включая коньковый
узел и фундамент, в масштабе 1/20…1/25 со всеми конструктивными
размерами. Обычно это занимает центральную часть листа. На остальной части листа показывают конструктивные узлы в масштабе 1:10.
На половине конструкции должны быть показаны:
а) расположение прогонов или панелей вместе с конструкцией
крыши;
б) зоны установки связей с их деталями;
в) решение карнизного узла;
г) прикрепление стенового ограждения к стойкам;
д) пол здания и его отметка, цокольная часть, отмостка;
е) фундамент под стойку.
На этом же листе должна быть представлена стойка, ее поперечное
сечение, опорный узел ригеля с верхом стойки, торцевая стойка с деталями, если отсутствует основная (в случае поперечника в виде рамы или
арки). В левом верхнем углу показывают геометрическую схему несущей конструкции в масштабе 1/200.
49
В примечаниях на втором листе указывают материалы, способы
изготовления, защиты от гниения и возгорания, мероприятия по доставке и монтажу.
Выполненный проект на двух листах и пояснительную записку
подписывают у руководителя и представляют к защите.
50
Рекомендуемая литература
1. СНиП II.25–80. Деревянные конструкции. Нормы проектирования. – М.:
Стройиздат, 1982 (1983).
2. СНиП 2.01.07–85*. Нагрузки и воздействия. – М.: Стройиздат, 2004.
3. Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП II.25–80)
/ ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко. – М.: Стройиздат, 1986.
4. Конструкции из дерева и пластмасс / Под ред. Г. Г. Карлсена, Ю. В. Слицкоухова. – М.: Стройиздат, 1986.
5. Светозарова Е. И., Душечкин С. А., Серов Е. Н. Конструкции из клееной
древесины и водостойкой фанеры. Примеры проектирования / ЛИСИ. – Л., 1974.
6. Светозарова Е. И., Овчинников Ю. С., Санников Ю. Д. Проектирование
элементов каркасных зданий с применением клееной древесины и пластмасс. Примеры проектирования / ЛИСИ. – Л., 1976.
7. Конструкции из дерева и пластмасс. Примеры расчета и конструирования /
Под ред. В. А. Иванова. – Киев: Будiвильник, 1970.
8. Конструкции из дерева и пластмасс. Примеры расчета и конструирования /
Под ред. В. А. Иванова. – Киев: Вища школа, 1981.
9. Проектирование и расчет деревянных конструкций: Справочник / Под
ред. И. М. Гриля. – Киев: Будiвильник, 1988.
10. Строительные конструкции из дерева и синтетических материалов.
Проектирование и расчет / И. М. Гринь и др. – Киев: Вища школа, 1990.
11. Отрешко А. И. Справочник проектировщика. Деревянные конструкции. –
М.: Госстройиздат, 1957.
12. Кормаков Л. И., Валентинавичус А. Ю. Проектирование клееных деревянных конструкций. – Киев: Будiвильник, 1983.
13. Пособие по проектированию деревянных конструкций. – М.: Стройиздат, 1986.
14. Рекомендации по проектированию панельных конструкций с применением древесины и древесных материалов для производственных зданий /
ЦНИИСК им. Кучеренко. – М.: Стройиздат, 1982.
15. Рекомендации по применению материалов комплексного действия для защиты деревянных конструкций / ЦНИИСК им. Кучеренко. – М.: Стройиздат, 1982.
16. Руководство по изготовлению и контролю качества деревянных клееных конструкций / ЦНИИСК им. Кучеренко. – М.: Стройиздат, 1982.
17. Индустриальные деревянные конструкции. Примеры проектирования /
Под ред. Ю. В. Слицкоухова. – М.: Стройиздат, 1991.
18. Ограждающие конструкции. Метод. указания. – Л.: ЛИСИ, 1988.
19. Иванин И. Я. Деревянные конструкции. Примеры расчета. – М.: Машстройиздат, 1950, 1957.
20. Улицкая Э. М., Бойтемиров Ф. А., Головина В. М. Расчет конструкций из
дерева и пластмасс. Курсовое и дипломное проектирование. – М.: Высшая школа,
1996 (2004).
51
21. Конструкции из дерева и пластмасс / Г. Н. Зубарева и др.; Под ред.
Ю. Н. Хромца. – М.: Академия, 2004.
22. Конструкции из дерева и пластмасс / Под ред. А. С. Алгазинова. – М.:
Академия, 2004.
23. Расчет основных стоек деревянного каркаса здания: Метод. указания /
Сост. В. Д. Попов; ЛИСИ. – Л., 1988.
24. Конструкции покрытий зданий с применением стеклопластиков: Метод. указания / Сост. Г. Г. Никитин; ЛИСИ. – Л., 1990.
25. Проектирование клееных деревянных арок с применением пластмасс:
Метод. указания / Сост. Ю. Д. Санников; ЛИСИ. – Л., 1990.
26. Расчет конструкций деревянных покрытий зданий: Метод. указания /
Сост. Г. Г. Никитин, Л. П. Каратеев; СПбГАСУ. – СПб., 1994.
27. Серов Е. Н., Санников Ю. Д. Проектирование клееных деревянных конструкций: Учеб. пособие: Ч. 1. Балки и стойки / СПбГАСУ. – СПб., 1995.
28. Серов Е. Н., Санников Ю. Д. Проектирование клееных деревянных конструкций: Учеб. пособие: Ч. 2. Проектирование рам из прямоугольных элементов/
СПбГАСУ. – СПб., 1998.
29. Серов Е. Н., Санников Ю. Д. Проектирование клееных деревянных конструкций: Учеб. пособие: Ч. 3. Проектирование рам с криволинейными участками и арок / СПбГАСУ. – СПб., 1999.
30. Михайлов Б. К., Каратеев Л. П., Овчинников М. А. Конструкции и расчет
трехслойных панелей из древесины и синтетических материалов: Учеб. пособие /
СПбГАСУ. – СПб., 1996.
31. Расчет трехслойных панелей со сплошным заполнением и металлическими обшивками: Метод. указания / Сост. Г. Г. Никитин; СПбГАСУ. – СПб., 2000.
52
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ........................................................................................................ ..............3
1. Содержание и организация выполнения курсового проекта................ ..............3
2. Разработка технического проекта ........................................................... ............10
3. Проектирование каркаса здания .............................................................. ............17
4. Расчет и конструирование основных элементов здания ....................... ............20
5. Расчет и конструирование основной несущей конструкции ................ ............31
6. Расчет и конструирование основной стойки каркаса ............................ ............40
7. Оформление пояснительной записки и листа чертежей основных
конструкций………………………………………………………………….............49
Рекомендуемая литература........................................................................... ............51
53
ДЛЯ ЗАПИСЕЙ
Учебное издание
Георгий Георгиевич Никитин
Лали Романовна Куправа
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДРЕВЕСИНЫ
Редактор Л. А. Мозгунова
Корректор К. И. Бойкова
Компьютерная верстка И. А. Яблоковой
Подписано к печати 17.12.07. Формат 60´84 1/16. Бум. офсетная.
Усл. печ. л. 3,5. Уч.-изд. л. 3,62. Тираж 500 экз. Заказ 210. «С» 96.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.
190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул. 4.
Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул. 5.
54
55
ДЛЯ ЗАПИСЕЙ
56