Консольно-балочные прогоны
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ ФГБОУ ВПО КОСТРОМСКАЯ ГСХА
Кафедра строительных конструкций
КОНСТРУКЦИИ ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАСС
Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов
Направления подготовки 08.03.01 «Строительство» очной и заочной форм обучения
Кострома КГСХА 2014
УДК 624.011.1.
ББК 38.55/38.56
П 79
Составители: сотрудники кафедры строительных конструкций ФГБОУ ВПО
Костромская ГСХА доценты Е.И. Примакина, И.С. Борисова, Е.Ф. Кузнецова
Рецензент: к.т.н., доцент кафедры строительных конструкций Ярославского
государственного технического университета С.А. Тумаков.
Рекомендовано к изданию методической комиссией архитектурно-строительного факультета ФГБОУ ВПО Костромская ГСХА, протокол № 7 от 12 ноября 2014 года.
Проектирование и расчет конструкций из дерева и пластмасс:
методические указания к выполнению курсовой работы для студентов
направления подготовки 08.03.01 «Строительство» очной и заочной форм
обучения / сост. Е.И. Примакина, И.С. Борисова, Е.Ф. Кузнецова — Кострома: КГСХА, 2014. — 56 с.
В издании приводится последовательность выполнения курсовой работы,
основные требования, а также принципы проектирования деревянных
конструкций, рекомендуемая техническая литература. Методические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине «Конструкции из дерева и пластмасс» предназначены для студентов направления подготовки 08.03.01 «Строительство» очной и заочной форм обучения
УДК 624.011.1
ББК 38.55/38.56
СОДЕРЖАНИЕ
Введение. 4
1. Тема, объем курсовой работы и последовательность выполнения. 5
2. Разработка технического эскиза. 7
2.1. Указания по выбору несущей системы.. 14
3. Определение нагрузок. 16
4. Конструирование и расчет несущих элементов крыши. 17
4.1. Дощатые настилы.. 21
4.2. Прогоны.. 23
4.3. Панели. 30
5. Конструирование и расчет основных несущих элементов каркаса здания. 31
5.1. Общие положения по конструированию и расчету каркаса здания. 31
5.2. Дощатоклееные балки. 31
5.3. Клеефанерные балки с плоской стенкой. 32
5.4. Клеефанерные балки с волнистой стенкой. 32
5.5. Дощатоклееная стойка. 33
5.6. Расчет арок. 33
5.7. Расчет рам. 35
5.8. Расчет ферм. 35
6. Технико-экономические показатели. 36
6.1. Определение технико-экономических показателей. 37
7. Мероприятия по обеспечению долговечности деревянных конструкций. 43
8. Оформление листов пояснительной записки и листов чертежей. 44
Список рекомендуемой литературы.. 46
Приложения. 49
Введение
Цель выполнения данной курсовой работы и расчётно-конструктивного раздела выпускной квалификационной работы по конструкциям из дерева и пластмасс — закрепление, углубление и обобщение теоретического материала, а также приобретение студентами навыков практического применения расчетов и конструирования, выводов и рекомендаций для самостоятельного решения конкретной инженерной задачи.
Каждый студент должен выбрать наиболее рациональное решение указанного в задании здания, определить усилия в основных его элементах, подобрать и рассчитать сечения, узловые соединения, разработать схему пространственного крепления конструкций, наметить основные принципы монтажа здания и мероприятия по защите от гниения и возгорания.
Перед выполнением проекта студент должен проработать соответствующие разделы учебника и учебных пособий, лекций по курсу, а также изучить нормативные документы: своды правил, указания, инструкции и ГОСТ (см. перечень рекомендуемой литературы).
При выполнении работы студентам предоставляется возможность консультироваться у преподавателя, использовать справочники, альбомы, каталоги типовых проектов и т.п.
В процессе проектирования студенты должны проявить умение самостоятельно работать с научно-технической литературой, применять полученные знания при обосновании выбранных решений.
Для обеспечения своевременного выполнения работы студенты обязаны согласовать с преподавателем материалы с объяснением принятых решений в сроки, установленные деканатом.
Настоящие методические указания составлены для студентов для студентов направления подготовки 270800.62 «Строительство» очной и заочной форм обучения и не преследуют цели подробного изложения и описания всех этапов расчета и конструирования здания. В методических указаниях приводятся последовательность выполнения, основные требования и принципы проектирования, рекомендуемая техническая литература.
1. Тема, объем КУРСОВой работы
и последовательность выполнения
Темой работы является разработка технического эскиза и рабочих чертежей элементов каркаса промышленного или гражданского здания в соответствии с выданным заданием.
При проектировании необходимо применять современные и перспективные индустриальные конструкции, в то же время допускается применение несущих конструкций и элементов крыши построечного изготовления с использованием древесины как местного материала.
Выполнение работы состоит из двух основных этапов. На первом этапе производится эскизно-техническая проработка компоновочной схемы: решение схемы и расположение в плане несущих конструкций, выбор типа крыши и решение схемы размещения элементов крыши (прогонов, щитов), выбор типа и размещения связей. На втором этапе выполняется расчет и конструирование основных элементов каркаса, разрабатываются рабочие чертежи этих конструкций с основными деталями узлов и соединений.
В задании даются основные габаритные размеры и тепловой режим здания, указывается район строительства, предполагаемые основные несущие и ограждающие конструкции. На основании этих данных студент должен определиться с основными конструкциями. Также самостоятельно подобрать 1-2 несущие системы к имеющейся в задании. На основании технико-экономических показателей вариантных проработок по согласованию с руководителем курсового проектирования принимается вариант для дальнейшей проработки.
Проект или расчётно-конструктивный раздел проекта в окончательном виде должен состоять из 1-2 листов чертежей формата А1 и пояснительной записки, содержащей расчеты, расчетные схемы, определяющие основные решения конструкций и деталей, изображаемых на чертежах.
Одной из составных частей проекта является учебно-исследовательская работа. В технико-экономическом анализе при вариантном проектировании студент должен ориентироваться на применение индустриальных облегченных конструкций и широкое применение крупноразмерных взаимозаменяемых элементов, т.е. на основе научного анализа различных проектных решений он должен выбрать наиболее эффективный как с экономической, так и с конструктивно-технологической точки зрения вариант, не забывая при этом условия эксплуатации и эстетики.
К началу проектирования необходимо ознакомиться по учебной литературе [3, 4, 11-24] с теоретической частью разделов, соответствующих конструктивной схеме здания, получить полное представление об основных несущих и ограждающих конструкциях, принципах их конструирования и расчета.
Выбрать вариант расчетной схемы. Провести исследовательскую работу по технико-экономическому анализу вариантного проектирования с установлением основных геометрических размеров схем поперечников зданий.
Определить виды нагрузок и характер их распределения, а также коэффициенты надежности по нагрузкам для принятого к проектированию вариантного решения.
Произвести расчет элементов покрытия (панели покрытия или рабочего настила, прогонов, элементов подвесного потолка).
Выполнить статический и конструктивный расчеты основной конструкции (поперечника каркаса здания, арки или рамы).
Предусмотреть мероприятия по обеспечению пространственной жесткости здания или сооружения.
Предусмотреть мероприятия по защите древесины от гниения и возгорания.
Разработать и описать методы монтажа основных несущих конструкций каркаса здания или сооружения.
Разработать рекомендации по эксплуатации деревянных конструкций.
Закончить оформление пояснительной записки.
Произвести графическое оформление проекта.
2. Разработка технического эскиза
Покрытие здания состоит из несущих элементов конструкции и крыши, выполняющей функции ограждения.
В техническом эскизе студент должен выбрать конструкцию крыши, установить основные размеры элементов ограждения и несущей конструкции покрытия, разместить конструкции в плане и на разрезах здания, показать и разместить элементы, обеспечивающие пространственную устойчивость конструкций. При этом конструкцию крыши следует увязать с типом и условиями изготовления несущей конструкции. Исходя из этого, с несущими конструкциями построечного изготовления следует сочетать крышу по прогонам с применением настила или дощато-гвоздевых щитов, а с несущими конструкциями заводского изготовления целесообразней использование беспрогонного решения — крыши из несущих клеефанерных и других панелей или крыши по прогонам с настилом из сборных дощатых щитов.
Шаг несущих конструкций в зданиях принимается от 3 до 6 м в зависимости от вида конструкции, пролета и величины нагрузки. При проектировании конструкций из цельной древесины их шаг обычно принимают в пределах 34 м, учитывая ограниченную несущую способность таких конструкций, обусловленную максимальными размерами поперечных сечений лесоматериалов. Лишь при небольших снеговых нагрузках и легких крышах (холодная крыша или утепленная с использованием утеплителя малой плотности) возможно увеличение расстояния между несущими конструкциями до 5-6 м.
Несущая способность клееных конструкций практически неограниченна, и их шаг может быть любым в диапазоне от 3 до 6 м. Шаг несущих конструкций необходимо увязать с конструкцией крыши, которая может выполняться в прогонном или беспрогонном вариантах. В деревянных покрытиях рекомендуется использовать преимущественно консольно-балочные или неразрезные прогоны, обладающие более высокой несущей способностью и особенно жесткостью по сравнению с разрезными на опорах.
В случае применения консольно-балочных прогонов, шаг несущих конструкций не должен превышать 4-4,5 м, что обусловлено максимальной длиной лесоматериалов (6,5 м) и расположением стыков-шарниров по два через пролет. В неразрезных прогонах, спаренных из двух досок с расположением стыков в разбежку (по одному в пролете в каждом слое досок), шаг несущих конструкций покрытия может быть любым в пределах длины досок, т.е. от 3 до 6 м.
В случае консольно-балочных прогонов, шаг несущих конструкций в пролетах, примыкающих к торцам здания, уменьшается на 20% по сравнению с основным шагом для того, чтобы избежать перегрузки первых от торцов несущих конструкций покрытия.
В беспрогонном решении крыши с использованием несущих клеефанерных или других панелей, работающих на изгиб по схеме однопролетной балки и имеющих длину от 3 до 6 м, шаг несущих конструкций можно применять в таких же пределах постоянными по всей длине здания.
При проектировании покрытия необходимо обратить внимание на обеспечение устойчивости покрытия в целом и отдельных его элементов. С этой целью для восприятия ветровой нагрузки, действующей вдоль здания в плоскости крыши, устанавливают горизонтальные связи в торцевых частях здания и по его длине на расстоянии не более 20 м. Эти связи образуют в плоскости верхних поясов двух соседних несущих конструкций покрытия решетчатую ферму, которая передает действующие в ее плоскости усилия на продольные стены. При жестких торцевых стенах и небольшой длине здания (до 20 м) устойчивость покрытия может быть обеспечена прогонами крыши без устройства горизонтальных связей. Но при этом прогоны должны быть надежно скреплены с верхним поясом фермы и заанкерены своими концами в торцевых каменных стенах, а стыки разрезных или консольно-балочных прогонов, кроме того, перекрыты накладками на гвоздях (рис. 1). В средней части зданий большой протяженности, помимо того, устраивают горизонтальные связи на расстоянии около 20 м от торцевой стены и друг от друга (рис. 2).
Рис. 1. Опирание прогона:
а — на несущую конструкцию;
б — на стену; в — на ферму
На рисунке 2 приведена раскосная схема связей, используемая при шаге конструкций 3-4 м. Если расстояние между несущими конструкциями составляет 5-6 м и длина раскосов соответственно превышает стандартные размеры лесоматериалов, применяют полураскосную схему (рис. 3).
Рис. 2. Торцевые и промежуточные связи,
расположенные в плоскости верхних поясов конструкций
Рис. 3. Схема полураскосных связей
В том случае если в конструкции крыши имеются двойной перекрестный дощатый настил или диагональные бруски по дощатому настилу при надежном скреплении этих элементов между собой, а также с прогонами и верхним контуром несущей конструкции в плоскости крыши образуется жесткая неизменяемая диафрагма, и устройства горизонтальных связей не требуется.
Для покрытия, выполняемого из разрезных кровельных панелей, жестких и неизменяемых в своей плоскости (дощатых щитов с диагональными планками, клеефанерных панелей и т.п.), необходима установка монтажных связей, которые прикрепляют непосредственно к основной несущей конструкции (см. рис. 2).
Для предупреждения выпучивания сжатого верхнего контура плоских несущих конструкций покрытия используют, как правило, следующие конструкции крыши: прогоны, несущие клеефанерные и другие панели. При этом панели должны быть прочно прикреплены к верхнему поясу, а прогоны, кроме того, и к настилам крыши (рис. 2, 4).
В решетчатых арочных конструкциях, помимо раскрепления верхнего сжатого пояса, следует принимать меры к раскреплению нижнего пояса арок, который может быть сжат по всей длине или на ее части. При проверке устойчивости сжатого нижнего пояса арочных, рамных и тому подобных конструкций, раскрепленного поперечными связями жесткости, за расчетную длину пояса следует принимать расстояние между этими связями, увеличенное на 25% (учитывая податливость связей).
Для обеспечения плоской формы изгиба ферм нижние пояса раскрепляются вертикальными связями. Эти связи служат также для удержания конструкций в вертикальном положении как в период монтажа, так и в процессе эксплуатации здания. Основным типом поперечных вертикальных связей являются жесткие связи с прямоугольным контуром, соединяющие попарно вдоль здания соседние несущие конструкции. Связи устанавливают в плоскости стоек или раскосов ферм. При этом расстояние между этими связями вдоль несущей конструкции должно быть не более 400 радиусов инерции сечения металлического растянутого пояса и не более 200 радиусов инерции сечения деревянного растянутого пояса.
Рис. 4. Примеры крепления клеефанерных панелей
к верхнему поясу конструкций и стыков панелей вдоль ската
На опоре несущей конструкции постановка вертикальных связей обязательна, если не предусматривается надежного прикрепления узлов несущей конструкции к кирпичным продольным стенам. Вертикальные связи могут быть крестовыми и полураскосными (рис. 5).
Примеры расположения горизонтальных и вертикальных связей в покрытиях приведены на рис. 6.
Рис. 5. Схемы и узлы вертикальных поперечных связей
Рис. 6. Схемы покрытия:
а — с прогонами, стропильными ногами и обрешёткой;
б — с прогонами и двойным перекрёстным настилом;
в — с несущими кровельными панелями
1 — фермы покрытия; 2 — вертикальные связи;
3 — прогоны; 4 — стропильные ноги;
5 — горизонтальные связи; 6 — кровля
Расчет связей в курсовом проекте не производится, но конструкция их разрабатывается. При этом ширину сечения элементов связей принимают из условия расстановки креплений (болтов, гвоздей) в узлах, а наименьший размер сечения (толщину) определяют по предельной гибкости. Согласно [3], гибкость элементов связей не должна быть более 200, т.е.
где l0 — длина элемента связей, равная расстоянию между узлами;
h — наименьший размер сечения элемента, который можно определить из равенства
За толщину элемента связей принимают ближайший больший размер по рекомендуемому сортаменту пиломатериалов.
Если элементы связей имеют составное сечение из двух досок, соединенных короткими прокладками и болтами или гвоздями, их гибкости проверять не требуется. Толщину ветвей (досок) в этом случае можно принимать равной 40-50 мм.
В техническом проекте должны быть показаны: план покрытия с расположением несущих конструкций, прогонов, настилов или щитов (панелей), связей; продольный и поперечный разрезы с изображением этих же элементов покрытия. Элементы крыши должны быть показаны послойно на плане на участках длиной два-три шага ферм. Кроме того, отдельно на чертеже должны быть показаны конструкции вертикальных и горизонтальных связей и их узлы сопряжения, схема и конструкция настилов или панелей и прогонов, их крепления к верхнему поясу несущей конструкции.
В пояснительной записке эта часть должна быть кратко освещена с приложением необходимых расчетов и данных для дальнейшего проектирования под общим заголовком «Эскизно-технический проект здания». После утверждения технического проекта студент приступает к расчету и конструированию несущих конструкций покрытия.
2.1. Указания по выбору несущей системы
Найти наиболее подходящую в каждом отдельном случае несущую систему — совместная задача инженера и архитектора. Обычно бывают заданы план, назначение здания, габариты, разрез, высота потолка и возможные точки опоры. Главной задачей инженера является разработка возможно большего числа вариантов несущей системы.
Схема несущей системы необходима не только при расчетах, она соответствует также определенной форме здания. Здание павильонного типа, в основе которого лежит рамная несущая система, выглядит иначе, чем здание с несущей системой из двухпролетных балок.
Все несущие системы пригодны, как правило, для любых пролетов. Однако с экономической точки зрения целесообразно придерживаться следующего принципа: чем больше пролет, а вместе с тем и нагрузки, передаваемые на опоры, тем больше должна несущая система приближаться по своей форме к кривой давления для данной нагрузки. Если несущая система имеет форму кривой давления, то поперечное сечение дерева используется лучше, так как приходится воспринимать, главным образом, сжимающие и лишь в незначительной мере — изгибающие напряжения.
Несущую систему нельзя выбрать изолированно. Если в качестве несущей конструкции покрытия выбрана, например, трехшарнирная система с затяжкой, то при этом нужно одновременно подумать о конструктивном использовании опор, конькового шарнира и узла затяжки.
При несущих системах, работающих на изгиб, очевидно, что предпочтение следует отдавать высоким балкам, так как они обеспечивают наибольший момент сопротивления и момент инерции. Такие балки следует, однако, укрепить против опрокидывания или придать устойчивость верхнему поясу. Для промышленных зданий при выборе конструкций решающими являются экономические мотивы, технические особенности (ширина в свету въездов, освещение, требования складирования и транспорта, противопожарные разрывы), которые отражаются на доле расходов на деревянную несущую систему в общих затратах на строительство.
При строительстве общественных помещений, культурных учреждений и т.п., напротив, критерием выбора несущей системы служат, главным образом, соображения функциональности, и форма ставится выше или, по крайней мере, наряду с экономическими соображениями, так что выбор несущей системы, в конечном счете, является субъективным решением. При проектировании несущей конструкции ее система и расположение часто зависят от многих функциональных условий. Установка отопительного, вентиляционного оборудования может потребовать сквозной несущей системы. На выбор несущей системы оказывают влияние устройства естественного освещения, осветительных приборов, которые создают дополнительные нагрузки. Таким образом, выбор несущих систем сам по себе, без применения творческой фантазии, учета особенностей дерева как строительного материала, на основании одного лишь статического расчета не может привести ни к хорошей конструкции, ни к хорошей архитектуре.
3. Определение нагрузок
В пояснительной записке должны быть вычерчены расчетные схемы конструкций и их элементов с указанием необходимых для расчетов размеров и действующих нагрузок. Нагрузки определяют в соответствии с действующими нормами [4] и записывают в таблицу 1.
Таблица 1
Определение действующих нагрузок
| Наименование нагрузки | Нормативная нагрузка, кН/м2 | Коэффициент надежности по нагрузке | Расчетная нагрузка, кН/м2 |
| Вес ограждающей конструкции покрытия: – кровля – выравнивающая стяжка – утеплитель – пароизоляция – прогоны Всего на 1 м2 Собственный вес несущей конструкции | 1,3 1,3 1,2-1,3 1,2-1,3 1,1 1,1 | ||
| Итоговая постоянная Снеговая на 1 м2 проекции покрытия Ветровая на 1 м2 |
При определении веса кровельных материалов и утеплителей следует пользоваться ГОСТами на соответствующие материалы или справочниками. При определении нормативной нагрузки от массы деревянных элементов покрытия следует сначала определить примерный объем этих элементов (настила, прогонов и т.п.) на 1 м2 площади проекции покрытия (gн = g / cos a, где a — угол наклона для прямолинейной кровли; gн = g·S / l — для криволинейной кровли), а затем умножить его на плотность древесины или фанеры.
Нормативный вес конструкции gнсв вычисляется ориентировочно по формуле:
,
где gн — постоянная нормативная нагрузка в зависимости от выбранного варианта ограждающих конструкций;
Sн — временная снеговая нормативная нагрузка;
kсв — коэффициент собственного веса конструкции, принимаемый по таблице 1 [6];
l — расчетный пролет, м.
Полученные нормативные и расчетные нагрузки на 1 м2 приводятся к нагрузкам на 1 пог. м с учетом грузовой площади рассчитываемой конструкции, которая равняется шагу несущих конструкций.
4. Конструирование и расчет
несущих элементов крыши
В зависимости от теплового режима зданий, крыши могут быть холодные и утепленные. В состав крыши входят несущие элементы и кровли, а в утепленных крышах, кроме того — пароизоляция и теплоизолирующий слой. В конструктивном отношении используются два решения: крыша по прогонам и крыша без прогонов с применением несущих щитов или панелей, укладываемых непосредственно на несущие конструкции.
Несущими элементами крыши в прогонном решении являются:
– рабочий настил, воспринимающий через кровлю внешние нагрузки и передающий их на прогоны или скатные бруски;
– прогоны, располагаемые в направлении продольной оси здания, передающие нагрузку на основную несущую конструкцию покрытия в виде ферм, балок, арок, рам;
– скатные бруски, укладываемые по прогонам перпендикулярно скату в случае большого шага между ними (свыше 2 м) или под обрешетку для кровли из штучных материалов и кровельной стали.
Схема конструкции несущих клеефанерных панелей дана на рисунке 7.
На рисунках 8-10 показаны варианты конструкции утепленной и холодной крыши по прогонам. В зависимости от применяемого материала кровли, выбирается уклон крыши. Для наиболее распространенных материалов рекомендуемые уклоны кровли приведены в приложении 1.
Для утепления крыш следует применять, как правило, несгораемые и биостойкие теплоизоляционные материалы.
|
|
|
|
|
Рис. 7. Конструкция клеефанерных панелей:
а — план; б и в — разрезы холодной и утеплённой панелей;
г — стыки фанерных листов на «ус» и «зубчатый шип»;
д — стыки древесноволокнистых плит на «ус»
Рис. 8. Схема утеплённой непроветриваемой крыши:
а — разрез; б — щитовой рабочий настил;
в — перекрёстный дощатый настил
|
|
|
Рис. 9. Схема утеплённой проветриваемой крыши:
а — разрез; б — щит рабочего настила; в — щит кровельный
1 — рабочий настил из досок толщиной 25 мм; 2 — поперечные планки 120´19 мм;
3 — диагональные планки 120´19 мм; 4 — сплошной настил шпунт 16 мм;
5 — рабочие рейки 50´50 мм; 6 — соединительные рейки 50´50 мм;
7 — соединительный продольный брусок 50´50 мм
Рис. 10. Конструкция холодной крыши с кровлей:
а — из стали; б — рубероида; в — волнистого асбошифера;
1 — прогон; 2 — стропильная нога; 3 — рабочий настил из досок 19-32 мм;
4 — защитный косой настил из досок 16-19 мм; 5 — рубероид;
6 — уголок; 7 — подушка; 8 — обрешётка; 9 — доска под лежачий фалец;
10 — кровельная сталь; 11 — упор (бобышка);
12 — волнистая асбофанера; 13 — решётка кровельного щита
4.1. Дощатые настилы
Конструкция деревянных настилов зависит от вида кровли. Настилы могут состоять из отдельных сложенных досок, уложенных плашмя вплотную или с небольшим зазором (3-15 см), или из брусков, разреженных на расстоянии в осях не более 25 см.
Настилы могут быть одинарными и двойными. Двойные настилы применяют в качестве основания под рулонную кровлю или под жесткий утеплитель, по которому также укладывается рулонная кровля. Двойной настил состоит из нижнего (рабочего) сплошного слоя досок или обрешетки и защитного слоя, укладываемого под углом 30÷45º к рабочему слою из досок толщиной 16÷19 мм вплотную. Защитный настил обеспечивает повышенную жесткость основания под рулонную кровлю и пространственную жесткость покрытия в плоскости крыши.
Для более равномерного распределения нагрузки к одинарному настилу или обрешетке можно снизу или сверху прибивать диагональные бруски и доски.
Настилы кровли могут быть также щитовыми-сборными. Щиты состоят из сплошного настила или обрешетки и поперечных и диагональных планок.
Настилы и обрешетку рассчитывают по двухпролетной схеме на следующее сочетание нагрузок:
а) собственный вес и снег (расчет на прочность и прогиб);
б) собственный вес и сосредоточенный груз 1 кН с умножением последнего на коэффициент надежности 1,2 (расчет только на прочность).
При сплошном настиле или разреженном с расстоянием между осями досок или брусков не более 15 см сосредоточенный груз считается приложенным к двум доскам или брускам поровну. При двойном перекрестном настиле или однослойном настиле сосредоточенный груз считается распределенным на ширину 0,5 м рабочего настила.
Расчетные сопротивления древесины изгибу при расчете настила и обрешетки под кровлю из древесины 3-го сорта следует принимать равными 13 МПа.
При расчете настилов следует обратить внимание на правильность сбора нагрузок и их передачу на несущие элементы. Так как покрытие крыши, как правило, имеет уклон, то нагрузка, предаваемая на настил, будет изменяться в зависимости от угла наклона покрытия к горизонтальной поверхности (рис. 11).
Нагрузка на 1 м2 настила q определяется по формуле:
,
где g — постоянная нагрузка от покрытия;
S — снеговая нагрузка на 1 м2 горизонтальной проекции покрытия.
a — угол наклона кровли.
Рис. 11. Распределение нагрузки на настил
Расчетная схема настила приведена на рисунке 12.
а) б)
Рис. 12. Расчётная схема:
а — к расчету на первое сочетание нагрузок;
б — к расчету на второе сочетание нагрузок
Расчет настила по первому сочетанию нагрузок:
1) на прочность 
,
где М — изгибающий момент;
Wрасч — момент сопротивления;
Rи — расчетное сопротивление изгибу.
Изгибающий момент 
, где q — расчетная нагрузка; l — длина пролета.
Момент сопротивления 
, где b — ширина поперечного сечения; h — высота поперечного сечения.
Момент инерции 
.
2) на жесткость 
,
где f — прогиб,
qн — нормативная нагрузка,
E — модуль упругости.
Расчет настила на монтажную нагрузку (второе сочетание нагрузок):
M = 0, 0703 q · l2 + 0,207 P · l.
4.2. Прогоны
Прогоны несут равномерно распределенную нагрузку в холодных кровлях — от собственного веса кровельного ковра, настилов, прогона и от снеговой нагрузки; в теплых кровлях к перечисленным выше нагрузкам прибавляется вес утеплителя, наката, брусков для опирания наката и гидроизоляции.
В покрытиях по треугольным и полигональным фермам прогоны, как правило, ставятся только в узлах верхнего пояса. Установка внеузловых прогонов, облегчая работу настила (уменьшая его пролет), заставляет верхний пояс фермы работать на совместное сжатие и изгиб, что неизбежно ведет к резкому увеличению размеров его сечения и утяжелению фермы.
Следует помнить, что общий расход древесины на все прогоны почти не зависит от их шага.
В покрытиях рекомендуется применять многопролетные спаренные (неразрезные) или консольно-балочные прогоны. При применении однопролетных прогонов, работающих как свободнолежащая однопролетная балка, бывает очень большой перерасход древесины.
Верхние пояса ферм, на которые непосредственно опираются прогоны, расположены не горизонтально, а под некоторым углом к горизонту. Поэтому поперечное сечение прогона, если не принять соответствующих конструктивных мер, будет расположено под тем же углом к вертикальной плоскости, в которой действуют все нагрузки. В этом случае брусчатый или дощатый прогон будет испытывать косой изгиб (рис. 13), что вызовет резкое увеличение необходимых размеров поперечного сечения.
Рис. 13. Косой изгиб прогона
Чтобы избежать перерасхода древесины, применяют:
а) установку прогонов в вертикальной плоскости;
б) специальные конструктивные элементы, воспринимающие составляющие нагрузок, направленные вдоль ската кровли (скатные составляющие).
Установка прогонов в вертикальной плоскости дает возможность полно использовать древесину. Такая установка достигается в треугольных фермах, где угол наклона верхнего пояса велик (обычно tg = 0,4 и = 22º), при помощи специальных подкладок (рис. 14, а) и в полигональных фермах, где угол наклона верхнего пояса мал (обычно tg = 0,1 и = 6º), подрезкой верхнего пояса (рис. 14, б).
а) б)
Рис. 14. Установка прогонов в вертикальной плоскости:
а — для треугольных ферм; б — для полигональных ферм
При наклонной установке прогонов для восприятия скатных составляющих используется настил кровли. В этом случае особое значение приобретает косой защитный настил, значительно увеличивающий жесткость кровли. Оба настила пришиваются гвоздями к прогонам, и все усилия, действующие вдоль ската, передаются на коньковый прогон, который выполняется парным (рис. 15) и специально рассчитывается или связывается с таким же прогоном с другой стороны конька.
Рис. 15. Соединение стропильных ног,
препятствующее косому изгибу прогонов
Гвоздевой забой и коньковый прогон (или связи между ними) в этом случае должны быть специально рассчитаны.
В прогонах круглого или квадратного сечения косой изгиб не имеет места, ибо в таких сечениях все оси главные.
Прогоны рассчитываются по несущей способности и по деформациям. Расчет прогонов по несущей способности ведется по формуле:
,
где М — максимальный изгибающий момент;
WНТ — момент сопротивления сечения прогона, нетто;
Ru — расчетное сопротивление изгибу.
Расчет прогонов по деформациям состоит в определении относительного прогиба от нормативных нагрузок, который не должен превышать 1/22 пролета прогона.
При назначении размеров поперечного сечения прогонов следует руководствоваться сортаментом лесоматериалов.
Однопролетные прогоны
Как указывалось выше, прогоны такого типа невыгодны. Их применяют лишь при малых расстояниях между фермами, когда пролет прогонов не превышает 3,5-4,5 м.
Стыки прогонов располагаются над фермами и выполняются путем перепуска концов или косым прирубом (рис. 16).
Прогоны рассчитываются по несущей способности и по деформациям.
Нагрузка на прогоны бывает равномерно распределенной или состоящей из ряда сосредоточенных грузов (от стропильных ног).
Рис. 16. Стык разрезных прогонов
Обычно расстояние между стропильными ногами принимается не более 1,0 м, и число грузов бывает не менее четырех, это позволяет такую нагрузку заменить равной по величине равномерно распределенной.
Расчет прогона по несущей способности производят по расчетной нагрузке:
,
где qн — нормативная нагрузка от собственного веса 1 м настилов и кровельного ковра; в теплых покрытиях сюда включается вес утеплителя и наката;
a — расстояние между прогонами (по горизонтали);
g — коэффициент надежности по нагрузке для настила и кровельного ковра;
sн —нормативная снеговая нагрузка;
— угол наклона кровли;
fs — коэффициент надежности по нагрузке для снега, принимаемый равным 1,68 (для IV-го снегового района);
— нормативная нагрузка от собственного веса 1 п.м. прогона, который следует принимать от 0,15 до 0,25 кН/м;
f — коэффициент надежности по нагрузке для собственного веса, принимаемый равным 1,1.
Расчет по деформациям производят по нормативной нагрузке. Расчетный изгибаемый момент и максимальный прогиб определяются как для однопролетной балки по формулам:
; 
;
где ЕI — жесткость балки; l — пролет прогона.
Консольно-балочные прогоны
Консольно-балочные прогоны выполняются из бревен или брусьев. Шарниры располагаются через пролет и выполняются в виде косого прируба (рис. 17, а).
|
б)
Рис. 17. Многопролетные прогоны:
а — консольно-балочные; б — неразрезные (спаренные)
Значения изгибающих моментов и прогибов зависят от величины выноса консоли. Наиболее целесообразно применять схему, называемую равномоментной, при которой максимальные моменты во всех промежуточных опорах равны между собой. Этому положению соответствует вынос консоли x = 0,146 l .
Статическая и конструктивная схемы такого прогона приведены на рисунке 17.
Крайние пролеты такого прогона должны иметь длину lкр = l – х; lкр = 0,85 l. Как видно на рисунке, в местах стыков-шарниров упругая линия прогона имеет переломы. Поэтому конструкция шарниров должна обеспечить свободу поворота одного элемента относительно другого.
Конструкция стыка косым прирубом с одним стяжным болтом по центру шарнира удовлетворяет этому условию.
Изгибающий момент для равномоментного прогона при x = 0,146 l будет равен 
, а максимальный прогиб 
.
В консольно-балочных прогонах заготовочная длина элементов больше пролета прогона на величину двух консолей.
Таким образом, максимальный пролет, перекрываемый таким прогоном при нормальной заготовочной длине лесоматериала 6,5 м, будет l = 6,5 – 0,5 – 2x,где 0,5 — ориентировочная длина двух концов косого прируба за пределами центров шарниров, м.
При равномоментой схеме l = 6,5 – 0,5 – 20,146 l, откуда l = 4,65 м. Эта величина пролета является предельной для применения брусчатых или бревенчатых консольно-балочных прогонов.
Равномоментое решение прогона возможно при условии, что крайние пролеты имеют длину lкр = l – х. Это требование не всегда может быть выполнено, так как расстановка ферм в основном зависит от общей компоновки здания в целом, часто требующей разбивки всей его длины на равные участки. Тогда в крайних пролетах значения изгибающего момента и прогиба значительно возрастают:
; 
.
Сечение прогона в пределах крайнего пролета и над второй опорой до первого шарнира во втором пролете должно быть соответственно усилию.
Неразрезные прогоны
Неразрезные прогоны являются основным решением многопролетных прогонов в покрытиях по несущим деревянным конструкциям (фермам). Выполняются они из двух досок, каждая из которых представляет собой консольно-балочную систему с шарнирами в каждом пролете. Доски для обеспечения совместной работы ставятся рядом и скрепляются между собой по всей длине гвоздями. Стыки каждой из досок (полупрогонов) располагаются вразбежку в зонах наименьших изгибающих моментов неразрезной балки, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой, т.е. на расстоянии (0,20÷0,21)l вправо и влево от опоры (рис. 17, б).
Стыки осуществляются простой приторцовкой элементов и постановкой в непосредственной близости от стыка (по обе стороны) специального гвоздевого забоя.
Для спаренного неразрезного прогона так же, как и для консольно-балочного, наиболее выгодной является схема, при которой крайние пролеты имеют меньшую длину.
Для неразрезного прогона х = 0,21 l, длина крайнего пролета lкр = 0,79 l.
В этом случае наибольшие значения изгибающие моменты будут иметь на опорах. Их величина будет одинаковой и составит:
.
Величины прогибов во всех пролетах также будут одинаковы и равны:
.
В случае применения неразрезного прогона с равными пролетами, в крайних пролетах значения момента и прогиба возрастают и будут соответственно равны:
,
.
В этом случае в пределах крайнего пролета и второй опоры (до первого шарнира во втором пролете) сечение прогона следует усилить постановкой дополнительной третьей доски.
Неразрезные прогоны должны быть обеспечены от косого изгиба, т.е. они устанавливаются вертикально, или при косой установке надежно обеспечивается их связь с двойным перекрестным настилом кровли. Предельный пролет неразрезного прогона равен заготовочной длине лесоматериала, т.е. 6,5 м.
Гвозди стыка рассчитываются на перерезывающую силу, действующую в сечении на расстоянии а1 от опоры:
.
Количество гвоздей с каждой стороны определяют по формуле:
,
где Моп — опорный момент для прогонов с укороченными пролетами;
а1 — расстояние от центра опоры (оси фермы) до центра гвоздевого забоя;
Tгв — несущая способность одного односрезного гвоздя.
Момент для всех пролетов 
.
Момент над второй опорой 
.
Обычно применяют двухрядный забой, и тогда а1 = x – 23dгв, где dгв — диаметр гвоздя.
Как правило, применяют гвозди диаметром от 4 до 5,5 мм. При достаточной длине гвоздя арасч 12dгв, где арасч — толщина одной доски прогона.
Кроме гвоздей в стыках, по всей длине спаренных прогонов забиваются гвозди того же диаметра в шахматном порядке с шагом 40÷50 см для обеспечения совместной работы обоих полупрогонов.
4.3. Панели
Клеефанерные панели
Они состоят из дощатого каркаса и прикрепленных к нему фанерных обшивок (см. рис. 7). В утепленных панелях между обшивками размещается тепло- и пароизоляция.
Материалами для клеефанерных панелей служат водостойкая строительная фанера марки ACA сорта В/ВВ или бакелизированная и пиломатериалы хвойных пород II и III влажностью 10÷12%, для внутренней обшивки панелей в помещениях с относительной влажностью воздуха не выше 75%. Наряду с водостойкой, можно использовать фанеру средней водостойкости марки ФК, а также твердые древесноволокнистые плиты. Стыки фанерных листов по длине осуществляются «на ус» или зубчатый шип, плит – «на ус». Склеивание листов и обшивок с каркасом производят водостойким клеем.
При проектировании панелей предварительно уточняют их длину, пролет и задаются размерами поперечного сечения панели и ее элементов. Длину панели l принимают на 2 см меньше шага несущих конструкций покрытия, пролет вычисляют по формуле:
.
Высотой сечения панели h задаются из рекомендуемого соотношения:
.
Расчет панелей производится на статическом изгибе по прочности и жесткости. При этом различие модулей упругости материалов, составляющих панель, учитывается вычислением приведенных геометрических характеристик сечения, неравномерное распределение напряжений по ширине обшивок — вычислением приведенной их ширины.
Указания по расчету клеефанерных панелей приведены в [3, 11, 15, 20].
Наряду с клеефанерными панелями, в покрытии могут быть применены панели с обшивками из других материалов (приложение 2), а также трехслойные панели со сплошным соседним слоем из пенопласта или сотопласта и обшивками из алюминия, пластмасс, асбестоцемента, фанеры. Примеры конструкции и расчета таких панелей имеются в рекомендуемой литературе.
5. Конструирование и расчет
основных несущих элементов каркаса здания
5.1. Общие положения по конструированию
и расчету каркаса здания
Прежде чем приступить к расчету и конструированию основных несущих элементов каркаса здания (поперечника), необходимо установить его расчетную схему, так как правильность выбранной схемы определяет, прежде всего, более четкую работу всех несущих элементов каркаса при соответствующем нагружении и создает условия для получения оптимальных конструктивных решений. Указанные варианты не отражают всю полноту схем, встречающихся в строительной практике, не могут ограничивать творческие замыслы студента, и по согласованию с консультантом к расчету может быть принята предложенная схема.
5.2. Дощатоклееные балки
Клееные дощатые балки рекомендуется применять в покрытиях производственных, сельскохозяйственных и общественных зданий. Особенно целесообразно их применять в зданиях с агрессивной средой, так как эти балки не содержат металлических частей.
Балки изготовляются в основном прямоугольного сечения. Толщину склеиваемых слоев следует принимать равной 33 мм; соединение отдельных досок по длине осуществляется на зубчатый шип с выходом зубьев на пласт доски.
Расчет балок следует производить в указанной ниже последовательности:
1. Определить нагрузки, действующие на балку, включая собственный вес.
2. Предварительно задать высоту балки в середине пролета:
.
3. С учетом уклона верхней грани 
определить:
.
4. Определить расчетное сечение балки на расстоянии х, м, от опоры, где нормальные напряжения достигают максимальных значений:
.
5. Вычислить действующий изгибающий момент в опасном сечении, а также задаться геометрическими характеристиками поперечного сечения балки в соответствии с сортаментом пиломатериалов.
6. Проверить прочность балки в расчетном сечении по формуле:
.
7. Проверить прочность балки на скалывание t под действием максимальной поперечной силы Q на опоре:
.
8. Проверить прочность балки на смятие опоре:
.
9. Прогиб балки проверить по формулам:
, 
.
5.3. Клеефанерные балки с плоской стенкой
Клеефанерные балки покрытий могут быть с параллельными поясами, двускатными, а также с криволинейным верхним поясом, двутаврового или коробчатого поперечного сечения. Пояса следует выполнять из вертикально поставленных слоев (досок). В клееных элементах из фанеры с древесиной не следует применять доски шириной более 100 мм. Если высота поясов превышает 100 мм, в них следует предусмотреть горизонтальные пропилы со стороны стенок.
Для стенок балок должна использоваться водостойкая фанера толщиной не более 8 мм.
Поперечное сечение балки определяется по указаниям источника [6].
Расчет клеефанерных балок ведется по приведенным характеристикам в соответствии с источником [3]. Приведение осуществляется к тому материалу, в котором определяются напряжения. Стенку балки следует проверить на устойчивость и на главные растягивающие напряжения.
5.4. Клеефанерные балки с волнистой стенкой
Клеефанерные балки с волнистой стенкой имеют двутавровое или коробчатое сечение. Пояса балок, клееные из досок толщиной не менее 50 мм. Ширина пояса принимается в пределах 2-2,85 его высоты. Фанерная стенка имеет волнистую по длине форму, которая придается ей в процессе изготовления (в каждом поясе выбирается продольный криволинейный паз трапецеидального сечения, служащий для присоединения на клею фанерной стенки). Минимальная толщина фанерной стенки 8 мм. Высоту волны рекомендуется принимать равной около 1/3 ширины пояса. Отношение высоты волны к ее длине находится в пределах 1/12÷1/18. По длине балки размещается целое число полуволн. Фанерная стенка необходимой длины склеивается из фанерных листов со стыкованием «на ус». Волокна наружных слоев фанеры располагаются вдоль стенки.
Расчет балок с волнистой стенкой [12, 14] производят с учетом того, что стенка практически не работает на нормальные напряжения, и эти напряжения воспринимаются только поясами. Волнистая фанерная стенка создает податливость балки.
5.5. Дощатоклееная стойка
Поперечная рама здания, состоящая из двух жестко защемленных с фундаментами колонн и шарнирно соединенных с ригелем (балкой, фермой, аркой), рассчитывается на вертикальные и горизонтальные нагрузки (рис. 18).
К постоянным нагрузкам, действующим на раму, относятся собственный вес стоек, вес несущих ограждающих конструкций; к временным — снеговая нагрузка и давление ветра. Ветровая нагрузка принимается равномерно распределенной в пределах высоты колонны. Давление ветра на ригель заменяется сосредоточенной нагрузкой, приложенной к верху колонны. При конструкции ригеля, имеющей треугольное или сегментное очертание, сосредоточенными ветровыми нагрузками W1 и W2 можно пренебречь ввиду их незначительной величины.
Невыгоднейшим сочетанием нагрузок при проверке колонны на прочность является совместное действие постоянной, ветровой и снеговой нагрузок. В этом случае, согласно п. 1.12 [4], временные нагрузки учитываются с коэффициентом = 0,9.
Невыгоднейшим сочетанием нагрузок при расчете анкерного устройства, крепящего колонну к фундаменту, является совместное действие постоянных нагрузок с коэффициентом надежности по нагрузке f = 0,9 и ветровой нагрузки.
Колонны выполняются дощатоклееными, предварительно можно задаться сечением колонны (1/8÷1/15) H; h / b 5 с учетом сортамента пиломатериалов.
Принятое сечение проверяют на расчетное сочетание нагрузок:
– в плоскости рамы (как сжато-изгибаемый консольный элемент [3]);
– из плоскости рамы (как центрально-сжатый элемент [3]).
Предельная гибкость колонны равна 120. При определении расчетная длина в плоскости рамы принимается равной 2,2 Н. При определении гибкости из плоскости рамы расчетная длина принимается равной расстоянию между узлами вертикальных связей, поставленных по колоннам в плоскости продольных стен. Наиболее ответственным в таких колоннах является опорный жесткий узел, который обеспечивает восприятие возникающего в нем изгибающего момента. Пример расчета приведен в источнике [12].
5.6. Расчет арок
По статической схеме арки разделяют на трехшарнирные и двухшарнирные. Они бывают:
– кругового очертания f = (1/6÷1/8) l с затяжкой;
– стрельчатые трехшарнирные арки f = (1/8÷1/4) l, опирающиеся на фундамент.
Усилия в арках определяют методами строительной механики. Сочетания нагрузок следующие: постоянная (от собственного веса арки и ограждающих конструкций покрытия) по всему пролету и временные: снеговая в зависимости от геометрии арки - равномерно распределенная на всём пролете, в виде сегментной или распределённой по треугольникам, и ветровая, рассмотренная слева и справа.
Расчет арок следует проводить с учетом указаний [3],
Примеры расчета приведены в источниках [6, 11, 12, 14, 16, 17, 18, 19, 20, 23].
|
|
|
|
|
Рис. 18. К расчету колонн поперечной рамы здания:
а — расчетная схема рамы (заданная система);
б, в — расчетные схемы колонн в плоскости рамы
соответственно при напоре и отсосе ветра;
г — монтажная схема и нагрузки на колонны из плоскости рамы;
д — расчетная схема колонны из плоскости рамы при ветровой нагрузке
(в сочетании с постоянной и временной),
где временные нагрузки умножают на коэффициент сочетания 2
5.7. Расчет рам
Наиболее распространенными являются рамы из гнутоклееных полурам и клееные деревянные рамы из прямолинейных элементов (ригелей, стоек и подкосов).
Расчет рам на прочность и устойчивость производится при следующих схемах загружения:
– постоянная (от собственного веса рамы и ограждающих конструкций покрытия)
- снеговая, в зависимости от геометрии - равномерно или неравномернораспределённая
– ветровая нагрузка
Расчет рам следует производить в соответствии с [3];
п. 6.44-6.49 [6]. Примеры расчета приведены [6, 11, 12, 14, 16, 19, 20, 23].
5.8. Расчет ферм
Усилия в элементах фермы можно определить графически, или аналитически. Причем, криволинейные элементы условно заменяются прямолинейными. Для симметричных ферм достаточно построить одну диаграмму от расчетной нагрузки на половине пролета и затем путем комбинирования усилий получить их расчетные значения для каждого элемента фермы.
Комбинации нагрузок принимаются в соответствии с указаниями [4]. Обычно основными комбинациями нагрузок для ферм являются: постоянная (от собственного веса фермы и ограждающих конструкций покрытия) и временная снеговая.
Расчет ферм следует производить с учетом указаний п. 6.21-6.24 [3]. Определенные расчетным путем сечения элементов должны обеспечить прочность и жесткость конструкции при минимальном расходе материалов.
При подборе сечений деревянных элементов ферм необходимо руководствоваться сортаментом пиломатериалов.
В целях унификации узловых соединений ширину сечений деревянных элементов поясов и решетки фермы следует принять одинаковой.
Расчет и конструирование металлических элементов ферм выполняются согласно [2].
Примеры расчета и конструирования ферм приведены [6, 11, 12, 14, 16, 17, 20, 21, 23, 24].
6. Технико-экономические показатели
После расчета и конструирования производят технико-экономическую оценку разработанной несущей конструкции. Для этого составляют спецификацию элементов (табл. 2) и определяют расход материалов в деле на одну основную несущую конструкцию здания — отдельно древесины (м3) и металла (т), а также массу монтажных элементов и всей конструкции.
Таблица 2
Спецификация материалов на раму
а) количество древесины
| № элемента | Наименование | Сечение или диаметр, см | Площадь, см2 | Длина, мм | Количество, шт. | Общая длина, мм | Объем, м3 | Масса, кг |
б) количество металла
| № элемента | Наименование | Сечение или диаметр, см | Площадь, см2 | Длина, мм | Количество, шт. | Масса, кг | Масса на 1 раму, кг |
Вес конструкции 
принимается в той же размерности, что и qн и sн, и определяется по формуле:
,
где qн и sн — нормативные нагрузки постоянные и временные;
kсв — коэффициент собственного веса, принимаемый по источнику [6.13];
l — пролет конструкции в метрах.
Вес несущей конструкции, как правило, слагается из весовых частей составляющих материалов: древесины и металла. Коэффициент металльности kм, %, определяется по тем же справочным таблицам, что и коэффициент kсв [6, 13].
Расход металла на конструкцию определится по формуле:
.
Количественная оценка древесины производится в объемном выражении, а именно в кубических метрах (м3). Следовательно, объем древесины на рассчитываемую конструкцию выразится:
,
где — удельный вес древесины, кН/м3.
В практике проектирования и строительства вид конструкций или конструктивных решений выбирают на основании результатов сопоставления таких показателей, как расход материалов в конструкции, масса, трудоемкость изготовления, заводская стоимость, трудоемкость и продолжительность монтажа, а также стоимость конструкции в «деле». Основным из них является последний показатель.
Для обеспечения условий сопоставимости сравниваемые конструкции проектируются в соответствии с действующими нормами СНиП, их назначение, нагрузки, температурно-влажностные и климатические условия эксплуатации должны быть одинаковыми. При определении показателей стоимости принимается один и тот же уровень цен и территориальный район.
Технико-экономические показатели следует относить на общую для сопоставимых вариантов единицу измерения (квадратный метр площади здания или конструктивного элемента), в отдельных случаях — на частную единицу измерения (конструкция, сооружение).
При сравнении вариантов конструкций из дерева необходимо:
– обеспечивать равенство сопротивлений теплопередачи сравниваемых ограждающих конструкций;
– учитывать изменение массы несущих конструкций покрытия в зависимости от массы ограждающих, а также разницу в затратах на ограждающие конструкции при сопоставлении несущих конструкций отличного очертания;
– показатели двух различных по конструктивной схеме покрытий (например, свода и арки) опре