Конструкции из дерева и пластмасс: Методические указания к курсовому проекту для студентов специальности 2903 ''Промышленное и гражданское строительство''

Содержание Введение……………………………………………………... 1. Состав проекта…………………………………………………. 2. Проектирование ограждающих конструкций………………… 2.1 Основные методические положения………………… 2.2 Методика расчета…………………………………….. 3. Проектирование несущих конструкций………………………. 3.1 Основные методические положения…………………. 3.2 Проектирование и расчет клеедеревянных балок…… Список литературы………………………………………………...

4 4 5 5 8 14 14 15 24

4

ВВЕДЕНИЕ Работа над курсовой работой по дисциплине «Конструкции из дерева в пластмасс» (КДиП) преследует цель закрепить у студента теоретические знания, полученные в процессе изучения курса, привить навыка в расчете и проектировании конструкций из дерева и пластмасс, подготовить к самостоятельному решению конкретных задач. Предлагаемые методические указания направлены на повышение качества выполнения курсовой работы, развитие навыков работы с учебной, нормативно-технической и справочной литературой. При этом учитывается тот факт, что моменту выполнения данного курсового проекта студенты изучили и усвоили такие науки, как сопротивление материалов, строительная механика, архитектура, металлические конструкции, строительные материалы. К началу проектирования необходимо усвоить материал по следующим вопросам теоретического курса КДиП: особенности древесины и пластмасс как конструкционного строительного материала, методы и способы защиты конструкций, теории расчета конструкций из дерева и пластмасс.

1. СОСТАВ ПРОЕКТА В процессе курсового проектирования студенты должны рассчитать и законструировать покрытие здания в соответствии с заданием на курсовую работу, утвержденным руководителем цикла «Конструкции из дерева и пластмасс». Курсовая работа состоит из расчетно-пояснительной записки (20-25 страниц) и 1 листа чертежей. В расчетно-пояснительной записке должны быть отражены все этапы проектирования и расчета ограждающих и несущих конструкций в соответствии с действующими нормами и СНиП, проиллюстрированные необходимыми схемами и эскизами. На чертежах в соответствии с ЕСКД изображают разработанные конструкции и их основные элементы, приводят спецификаций, особо важные примечания и требования. В настоящих методических указаниях приведен список литературы, на которую имеются сноски в тексте, нормативного и справочнорекомендательного характера. Студенту не следует ограничиваться именно этим списком, он может самостоятельно разобрать все пункты расчета по любому учебнику, рекомендованному для изучения курса «Конструкции из дерева и пластмасс».

5

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ В этой части методические указания рассматриваются ограждающие конструкции только в виде индустриальных панелей, которые благодаря жесткому соединению элементов – ребер и обшивок – работают как единое целое. Панели (плиты) покрытия и стеновые панели на деревянном каркасе с применением обшивок древесных и других материалов проектируются и изготовляются в соответствии с требованиями действующих глав СНиПов [l-4] и другой нормативно-технической литературы [5-7]. В связи с тем, что условия применения стеновых панелей с каркасом из древесины, их конструкция и классификация во многом аналогичны плитам покрытия, в настоящих методические указания основное внимание уделено плитам покрытия, как получившим наиболее широкое применение в современном строительстве. 2.1.Основные методические положения Плиты покрытия на деревянном каркасе применяются в отапливаемых зданиях с наружным отводом воды сельского, промышленного и транспортного назначения в районах с расчетной температурой наружного воздуха до -50°С. Они могут применяться также и для покрытия неотапливаемых зданий, если в последних отсутствует интенсивное парообразование. Рекомендуемые размеры плит: ширина - 1,5м; высота -1/32 ÷ 1/20 пролёта ; длина - до 6м при опирании на несущие конструкции, расположенные вдоль здания, при двускатных и односкатных кровлях длина их может быть до 9-12м. Плиты состоят из несущего каркаса, обшивок, утеплителя, пароизоляции. Утепленные плиты имеют верхнюю и нижнюю обшивки, неутепленные – только верхнюю. Поперечное сечение может быть коробчатого или таврового вида. Соединение обшивок с ребрами должно обеспечить монолитность сечения. Плиты покрытия могут быть использованы в качестве горизонтальных связей при соответствующем решении конструкций узлов крепления плит к несущим конструкциям в зданиях с пролётом до 24 м. Крепление плит к несущим конструкциям устраивается сверху. Длина опирания плиты на конструкцию определяется расчетом, но должна быть не менее 55мм. Каркас плит покрытия состоит из продольных ребер, торцовых ребер, в панелях длиной более 3м также и поперечных ребер. Ребра могут выполняться из цельной древесины, из склеенных по пласти досок, из бакелизированной или водостойкой фанеры или фанерного профиля, а также в виде балок с фанерной стенкой или сквозных ребер в виде ферм. Расстановку ребер производят с учетом местного изгиба обшивки от действия основной

6

и монтажной нагрузки и её местной устойчивости от действия сжимающих напряжений. Обычно шаг продольных ребер 0,4-0,5 м; шаг поперечных ребер зависит от длины материала обшивки (обязательная постановка под стыком обшивки). но не менее 0,75м. Минимальная ширина ребра назначается из условия обеспечения необходимой надёжности клеевого соединения с обшивками. Соединение элементов каркаса выполняется прямым сквозным шипом. Ребра из цельной иди клееной древесины выполняется из древесины хвойных пород (сосны, ели), удовлетворяющих требованиям элементов второго сорта в соответствии с главами СНиП [l,2]. Расчетные сопротивления древесины принимаются в соответствии с [l]. В фанерных элементах каркаса должна применяться водостойкая фанера марки ФСФ сорта не ниже В/ВВ, изготовленная из березового или лиственного шпона. Расчетные характеристики гнутоклееных профилей принимаются такими же, как и для трёхслойной фанеры. Для обшивок плит могут применяться различные материалы. Фанерные обшивки плит покрытия должны изготавливаться из водостойкой фанеры марки ФСФ сорта не ниже В/ВВ или из бакелизированной фанеры марки ФБС толщиной не менее 6 мм в растянутой зоне и не менее 8 мм в сжатой. Направление волокон верхней рубашки фанеры в обшивке должно быть продольным. Стыки фанерной обшивки осуществляются на «ус» с длиной «уса» 8-10 толщин фанеры, а также посредством зубчатого клеевого соединения по II – группе соединений с шагом 10мм. Допускается стыкование фанеры с помощью накладок. Расчетные характеристики приведены в [1]. В том случае, когда в качестве плит используется древесноволокнистые плиты (ДВП), должны применяться твердые и сверхтвёрдые ДВП марок T-350, Т-400, СТ-500 плотностью не менее 850 кг/м3. При использовании ДВП необходимо учитывовать влияние влажностного режима эксплуатации коэффициентом условия работы к расчетным сопротивлениям. Синтетические клеи для склеивания древесины с фанерой и ДВП назначаются в соответствии с требованиями [1,2] Составы клеев, нормативные характеристики соединений приведены в [2]. Для плит с асбоцементными обшивками применяют плоские и волнистые (для верхней обшивки) листы с влажностью не более 9-10%, толщиной 8-10мм. Листы обшивки крепятся к каркасу шурупами с потайной головкой через раззенкованные отверстия диаметром на 1-2мм больше диаметра не нарезанной части шурупа. Обычно применяется шуруп диаметром 4-5мм и длиной 40-60мм. Шаг постановки шурупов принимается не менее 20 и не более 60 диаметров шурупа. Использование синтетических пластмасс, стеклопластиков, наиболее

7

целесообразно при изготовлении светопроницаемых плит покрытия. Основным материалом служит: полиэфирный стеклопластик, органическое стекло (полиметилметакрилат), светопропускающий поливинилхлорид – винипласт. Обшивки могут бить в виде плоских или волнистых листов указанных материалов, а семи плиты покрытия - одно- или трёхслойные. В последнем случае слой представляет собой сотовое, кольцевое или ребристое заполнения из этого же материала. При этом он должен занимать минимальную площадь. Светопропускающие листы крепятся к деревянному каркасу с помощью клея, болтов или шурупов. Отверстия для металлических креплений предварительно рассверливает на 2-3мм больше, чем диаметр связи. Постановка связи (шурупа, болта) обязательно осуществляется через прокладку для обеспечения равномерного распределения усилия прижима. При стыковании по длине плоские и волнистые листы перекрываются на 15-20см, по ширине – волнистые листы – на размер волны. Направление волн в обшивках следует принимать продольное, так как в этом случае обшивка работает совместно с рёбрами, значительно увеличивая жесткость конструкции Плиты шпренгельного типа состоят из деревянного каркаса, обшивок (чаще всего асбоцементных) и подкрепляющего шпренгеля из арматурной стали ВСтЗ. Тяжи шпренгеля могут располагаться вдоль или по диагонали плиты. В последнем случае исключается Пространственное раскрепление стойки шпренгеля. Натяжение тяг осуществляется при помощи муфт, установленных на тягах, либо при помощи резьбового соединения стоек, высота которых обычно принимается равной 1/8 - 1/10 пролёта плита. Кроме того, натяжение может осуществляться за счет строительного подъема при изготовлении плиты. Конструкция плит должна отвечать определённым теплотехническим требованиям. Теплотехнический расчет производится на основе соответствующих глав СНиП «Строительная теплотехника». Надёжная работа конструкций в плане конструктивно обеспечивается правильным расположением тепло – пароизоляторов. Здесь должно выполняться следующее правило: расположение тепло-(паро)изоляторов должно обеспечить постоянность падения упругости водяных паров воздуха, проходящих через толщу конструкций в направлении от более высоких температур воздуха помещений к более низким температурам наружного воздуха. Поэтому наиболее теплопроводные материалы располагает у внутренней поверхности ограждения, далее - в порядке падения степени их теплопроводности. Более воздухопроницаемые материалы с наименьшей теплопроводностью располагает со стороны более низких температур. Пароизоляционные материалы располагает у внутренней поверхности, т.е. со стороны более высоких температур.

8

В качестве утеплителя могут быть использованы минераловатные плиты, фибролит, пенопласты и поропласты. Пароизоляция панелей может быть пленочной или покрасочной, Практически все утепленные плиты покрытия с деревянным каркасом относятся к сгораемым и могут быть применены для зданий я сооружений Ш к IV степени огнестойкости для категорий производств В, Г, Д с пределами огнестойкости 0,25 -.0,5 часа в зависимости от материала обшивки. 2.2. Методика расчета Расчет плит покрытия и панелей стен производится в соответствии с главой СНиП 11-25-80 «Деревянные конструкции. Нормы проектирования» по двум предельным состояниям: – по несущей способности на действие расчетных нагрузок; – по деформациям на действие нормативных нагрузок. Плиты покрытия рассчитываются на следующие нагрузки: от собственного веса – постоянные и от снеговой нагрузки – временные. Кроме того, верхней обшивку рассчитывают на изгиб от сосредоточенного груза Р=1кН с коэффициентом перегрузки 1,2. Расчетная схема в этом случае зависит от способа крепления обшивки с ребрами плиты. При клеевом соединении – как пластинки, заделанной в местах приклеивания к ребрам, при креплении шурупами (гвоздями) как многопролётной (в зависимости от количества продольных ребер) балки. Панели стен рассчитывается на следующие нагрузки: эксплуатационные усилия – вес двух панелей (рассчитываемой и вышележащей) и ветровой с учетом аэродинамических коэффициентов, а также усилий от собственного веса, возникающих при монтаже. При расчете плит покрытия с применением древесины и древесных материалов фактическое поперечное сечение плиты заменяется приведённым. Приведение осуществляется к наиболее напряженному материалу - материалу обшивок. Коэффициент приведения определяется по формуле (2.1) η = E р / Eоб , где Ер и Eоб – соответственно модули упругости ребра (древесины) и обшивки (фанеры, ДВП и т.п.). Геометрические характеристики поперечного сечения, схема которого приведена на рис.2.1, определяются по формулам: площадь поперечного сечения:

Fпр = FФН + FФВ + ηFg ,

(2.2)

9

Рис. 2.1. Схема расчетного сечения плиты покрытия с деревянным каркасом и фанерной обшивкой где FФН – площадь поперечного сечения нижней растянутой обшивки; FФН – то же верхней сжатой обшивки; Fg – площадь поперечного сечения ребер. n n н в FФН = δ Н bФР ; FФВ = δ В bФР ; где bфр , bфр – расчетная ширина соответственно нижней и верхней обшивок, принимаемой равной bфр = 0,9b при l≥6 и bфр = 0,15bl / a при l70⋅b2/h расчет производится с учетом устойчивости плоской формы изгиба по формуле

σ =

Мх ≤ Ru , W х ⋅ mσ ⋅ ϕ Б

(3.3)

где Mx – изгибающий момент в расчетном сечения WX – момент сопротивления расчетного сечения; mσ – коэффициент, зависящий от h [1]; ϕσ – коэффициент устойчивости. Значение ϕσ определяется по выражению: (3.4) ϕσ = b 2 ⋅ k / h ⋅ l p , ⋅При ϕσ≤0,7 – работа происходит в области упругой устойчивости. Если ϕσ>0,7 – работа происходит в области неупругой устойчивости и истинное значение ϕσ определяется по следующим данным: Значение коэффи0,7 0,8 0,9 1 1,2 1,4 1,6 1,8 циента ϕσ по (4.3) Истинное значение 0,7 0,76 0,8 0,84 0,89 0,93 0,96 0,98 ϕσ

2и более 1

Значение коэффициента k в формуле (3.4) зависит от условий закрепления балки и вида нагрузки и определяется по данным [1]. При значениях ϕσ≥2 проверку на устойчивость плоской формы изгиба производить не нужно. Расчетная высота балок поперечного сечения (двускатных, односкатных, консольных) определяется как

h рас = hсp 3 К ж ,

(3.5)

где Кж – коэффициент зависящий от характера загружения и формы элемента и определяемый по [1]. В случае работы балок как внецентренно-сжатых и сжато- изгибаемых прямолинейных элементов прямоугольного сечения, расчет на прочность при выполнении условия lp≤70⋅b2/h со стороны сжатой кромки производится по формуле

18

М ⋅ Rc N + ≤ Rc , FНТ ξ ⋅ W ⋅ Ru

(3.6)

где ξ – коэффициент, учитывающий дополнительный момент от продольной силы вследствие прогиба элемента;

ξ = 1−

N ϕ ⋅ Rc ⋅ FБР

(3.7)

Величина ϕ определяется [1] как

ϕ = А / λ2 ,

(3.8)

где А – коэффициент; А=3000 для древесины. Для фанеры А=2500; λ – гибкость элемента λ=l0/r; l0 – расчетная длина элемента; r0 = I БР / FБР – радиус инерции сечения элемента. Расчетную длину элемента l0 определяют как l0=µ0⋅l. Величина коэффициента µ0 принимается равной: при обоих шарнирно закрепленных концах µ0=1; при одном защемленном и другом свободно нагруженном конце µ0=2; при одном защемленном и другом шарнирно закрепленном конце µ0=0,80. В тех случаях, когда эпюры изгибающих моментов шарнирноопертых элементов имеют треугольное или прямоугольное опирание, коэффициент ξ no формуле (4.8) умножается на поправочный коэффициент kn=dн+ξ⋅(1-αн)⋅αн=1,22 при эпюрах треугольного очертания и αн=0,81 – при эпюрах прямоугольного очертания. При lp≤70⋅b2/h (со стороны сжатой кромки) производится проверка на устойчивость плоской формы изгиба по формуле

М рас  N +  ϕ ⋅ Rc ⋅ FБР  ξ x ⋅ W БР ⋅ ϕ σ ⋅ Rc

n

  ≤1  

(3.9)

где n=2 – для элементов без закрепления растянутой зоны из плоскости деформирования и n=1 – для элементов, имеющих такие закрепления, ϕ – коэффициент продольного изгиба, определяемый но формуле (3.8); ϕσ – коэффициент продольного изгиба, определяемого по формуле (3.4). При раскреплении со стороны растянутой кромки проверка устойчивости производится по формуле (2.9) с заменой ϕ на ϕ' и ϕσ на ϕσ' (3.10) ϕ ' = kϕ ⋅ ϕ = ϕ ⋅ (0,75 + 0,06(l p / h) 2 ) ,

ϕ σ' = kσ ⋅ ϕ σ = ϕ σ ⋅ (1,75 ⋅ (h / l p ) + 0,14 ⋅ (l p / h)) ,

(3.11)

Для балок переменной высоты ξx определяется по формуле (3.7) с учетом того, чтоλх и Fx находятся по приведённой высоте hпр из формулы (3.5). Скатывающее напряжение в дощатоклееных балках прямоугольного

19

сечения по нейтральной оси (или ближайшем к ней шве) определяется по формуле

r=

1,5Qmax ≤ Rск , hоп ⋅ b p

(3.12)

где Qmax – поперечная сила на опоре балки; hоп - высота балки на опоре; bp=0,6⋅b – расчетная ширина балки при назначенной ширине b; Rск – расчетное сопротивление скалыванию древесины при изгибе. При расчете гнутоклееных балок постоянного сечения необходимо производить проверку на радиальные растягивающие напряжения (поперек волокон) на криволинейном участке балки по клеевому шву

σp =

1,5М ≤ R p 90 , r ⋅b⋅ h

(3.13)

где r — радиус кривизны гнутой части; h - высота сечения; Rp90 =0,7МПа – расчетное сопротивление древесины растяжению поперек волокон; bp=0,6 b – расчетная ширина балки. Распор, передаваемый такими балками, определяется по формуле

5 k ⋅ f ⋅g ⋅S2 Н= ⋅ 2 , 8 hK + k ⋅ f 2

(3.14)

в которой

k=

I K ⋅ S ⋅ EK , I Б ⋅ hК ⋅ E Б

(3.15)

где hK – высота колонн или стен; f – стрела подъёма; S – длина полуската; IБ, IК – моменты инерции балки и колонны в плоскости изгиба; ЕБ, ЕК – модули упругости материала балки и колонны. При расчете балок с переменной высотой (двускатных, односкатных с горизонтальным нижним поясом) в связи с тем, что изгибаемый момент М нарастает медленнее, чем высота сечения, опасное сечение находится на некотором расстоянии Х от опоры. (3.16) Х = l ⋅ hоп / 2hср , где hоп – высота балки на опоре; hср - высота балки в середине пролёта. Высота расчетного сечения определяется как h х = hоп + i ⋅ X , (3.17) где i – уклон верхнего пояса балки. Момент в опасном сечении равен М = 0,5 ⋅ q ⋅ X ⋅ (l − X ) (3.18) Расчет клеефанерных балок с плоской стенкой при поперечном расположении волокон рубашек производится без учета работы стеной на изгиб, т.е. за расчетное сечение принимается только сечение поясов. При про-

20

дольном расположении волокон рубашки расчет производится как для цельного сечения с приведением всех геометрических характеристик сечения к материалу поясов. Коэффициент приведения η=EФ/Eдр Формулы приведения имеют следующий вид: I пр.д = I др + I ф ⋅ η ; S пр.д = S др + S ф ⋅ η ; Fпр.д = Fдр + Fф ⋅ η ;

Wпр.д = 2 / h x ( I др + I фх ⋅ η ) = 2 I пр / h x ;

(3.19) Расчетное сечение двухскатных и односкатных балок с фанерной стенкой находится на расстоянии Х от опоры. ' X = [ γ (1 + γ ) − γ ] ⋅ l , γ = hоп (3.20) ⋅ i ⋅ l, ' – высота балки на опоре между осями поясов; h – уклон верхнего где hоп пояса балки. Нормальные напряжения в поясах из древесины и стенке из фанеры определяется по формулам:

σ ст.д = σ р.ф

Мx

; σ р.д =

Wпр.д. х ⋅ ϕ у М ⋅η = x ≤ R р.ф. ⋅ mф , Wпр. х

Мx ≤ R р.д ; Wпр. х (3.21)

где бс.д, Rс.д – напряжение и расчетное сопротивление сжатого пояса; бр.д, Rр.д – напряжение и расчетное сопротивление растянутого пояса; бр.ф, Rр.ф – напряжение и расчетное сопротивление растяжению фанеры; mФ – коэффициент, учитывающий влияние стыка (для соединения на «ус» mф = 0,6) фанерной стенки. Касательные напряжения в швах между фанерной стенкой и древесиной поясов проверяются по формуле

τ =

Qmax ⋅ S g ⋅ η I пр.ф ⋅ n ⋅ hп

≤ Rск.ф ,

(3.22)

bhп h0' – статический момент пояса относительно нейтральной где S g = 2 Eg оси; I пр.ф = I ф + I g – приведённый к материалу стенки момент инерEф ции сечения; η – коэффициент приведения, n – число швов, связывающих стенку с поясами; hп – высота пояса (за вычетом зазоров (или пропилов), прилегающего к стенке ; hо' – высота опорного сечения балки по осям поясов; b – ширина пояса. Следует иметь в виду, что практически на скалывание проверяется шов не между стенкой и поясом, а шов в между крайними шпонами фанеры, т.к. Rск.ф =0,6МПа, а прочность клеевого соединения между фанерой и

21

древесиной равна 2,4МПа. Проверка стенки на срез по нейтральной оси производится по формуле

τ =

Qmax ⋅ S пр.ф I пр.ф ⋅ ∑ δ

,

(3.23)

Где Σδ в • суммарная толщина фанерных стенок. В опасном сечении в изгибаемых клеефанерных элементах двутаврового и коробчатого сечения производится также проверка прочности фанерной стенки на действие главных растягивающих напряжений

σ р.ф.α =

2

σ ч .ф

 σ и .ф   + τ ф2 ≤ R р.ф.α , +   2  2 

(3.24)

где Rp.ф.α – расчетное сопротивление фанеры растяжению под углом α, определяемое по [1], σи.ф. – нормальные напряжения от изгиба на уровне внутренней кромки поясов, определяемые как σ ч.ф =

Мy

I пр.ф.

где y – рас-

стояние от нейтральной оси до внутренней кромки пояса;τф – касательные напряжения на уровне нейтральной оси (3.23). Значение угла α находится из зависимости:

tgα =

2 ⋅τ ф

σ н.ф.

,

(3.25)

Проверка устойчивости фанерной стенки при продольном расположении волокон внешних рубашек производится, если hст/δ>50 по формуле

σ н.ф σ кр.п.ф.

+

τф τ кр.ф

≤1

(3.26)

Критические напряжения определяются в зависимости от величины отношения γ=а/hст, а – расстояние между осями поперечных ребер жесткости;δст – толщина фанерной стенки; hст – расчетная высота стенки (высота стенки в свету). При Q ≥ hст

100 ⋅ δ 2 100 ⋅ δ 2 ) ; τ ф.кр. = kτ ⋅ ( ) σ н.кр. = k н ⋅ ( hст hст 100 ⋅ δ 2 ) при а < hст τ кр.ф. = kτ ⋅ ( а

(3.27) (3.28)

Значения коэффициентов kн и kτ определяются по графикам [1]. Опорная панель, если hст/δ>80 проверяется только от действия касательных напряжений по формулам

22

100 ⋅ δ 2 ) hст 100 ⋅ δ 2 ) = kτ ⋅ ( а

при γ=а/hст ≥1: τ ф ∠τ ф.кр. = kτ ⋅ (

(3.29)

при γ=а/hст