Проектирование конструкций из дерева и пластмасс: Руководство по выполнению курсовой работы

Целью курсового проектирования по конструкциям из дерева и пластмасс является углубление теоретических знаний и развитие практических навыков в расчете и конструировании несущих элементов. В рамках данной работы рассматривается проектирование неотапливаемого производственного здания, расположенного в городе Новосибирск. Это определяет климатические условия и, соответственно, нормативные снеговые и ветровые нагрузки. Основными конструктивными элементами, которые подлежат расчету, являются несущие стропильные фермы, вертикальные колонны и узлы их сопряжений. Проект предполагает использование комбинированных материалов: основным материалом для сжатых и сжато-изгибаемых элементов (верхний пояс фермы, стойки, колонны) служит древесина, тогда как для растянутого нижнего пояса фермы применяется сталь, что является эффективным и распространенным решением.

Глава 1. Анализ исходных данных как основа корректного расчета

Фундаментом любого инженерного расчета служит тщательный анализ исходных данных. Каждый параметр несет в себе информацию, напрямую влияющую на конструктивные решения и итоговую безопасность сооружения. Перед началом проектирования необходимо систематизировать все ключевые характеристики будущего здания.

• Географический район строительства: г. Новосибирск. Этот параметр определяет климатические нагрузки, в первую очередь снеговую и ветровую.
• Снеговой район: Определяется по нормативным картам на основе местоположения и напрямую влияет на величину временной нагрузки на покрытие, которая часто является доминирующей.
• Класс ответственности здания: Задается в соответствии с функциональным назначением и масштабом сооружения. От этого класса зависят коэффициенты надежности, что повышает требования к несущей способности конструкций.
• Габариты здания:
  • Пролет фермы: определяет ее конструктивную схему и внутренние усилия.
  • Длина здания и шаг ферм: влияют на общее количество несущих конструкций и определяют грузовую площадь для сбора нагрузок на одну ферму.
• Условия эксплуатации: Проектируемое здание является неотапливаемым, что необходимо учесть при выборе материалов и расчете их работы в условиях переменных температур и влажности.
• Характеристики древесины: Указываются порода (например, сосна) и сорт, которые определяют нормативные и расчетные сопротивления материала сжатию, растяжению, изгибу и смятию.

Осознание роли каждого из этих параметров позволяет избежать ошибок на самых ранних этапах и заложить основу для корректного и экономически обоснованного проекта.

Глава 2. Сбор нагрузок как ключевой этап определения воздействий

После анализа исходных данных следующим логическим шагом является сбор нагрузок — определение всех сил, которые будут действовать на конструкции здания в процессе эксплуатации. Этот этап регламентируется нормативными документами (СП «Нагрузки и воздействия») и является одним из самых ответственных в проектировании. Все нагрузки делятся на две основные группы:

1. Постоянные нагрузки. Это нагрузки, которые действуют непрерывно в течение всего срока службы сооружения. К ним относятся:
   • Собственный вес кровельного покрытия (профлист, утеплитель, гидроизоляция).
   • Вес прогонов, по которым укладывается кровля.
   • Собственный вес несущих конструкций (ферм, балок, связей), который на начальном этапе определяется приблизительно и уточняется после подбора сечений.
2. Временные нагрузки. Эти нагрузки могут изменяться по величине и направлению. Для нашего проекта ключевыми являются:
   • Снеговая нагрузка: Является основной временной нагрузкой для большинства регионов России. Ее нормативное значение зависит от снегового района (в данном случае, для Новосибирска) и определяется по картам снегового районирования. Расчетное значение получается умножением нормативного на коэффициент надежности по нагрузке.
   • Ветровая нагрузка: Учитывается при расчете вертикальных связей, колонн и фахверка, а также при проверке фермы на ветровой отсос.

Расчет конструкций ведется по методу предельных состояний. Это означает, что для каждого элемента выполняется ряд проверок, гарантирующих, что он не перейдет в состояние, непригодное для эксплуатации.

Первая группа предельных состояний — это расчеты по несущей способности, то есть на прочность и устойчивость. Потеря прочности или устойчивости может привести к разрушению конструкции.
Вторая группа предельных состояний — это расчеты по пригодности к нормальной эксплуатации, например, проверка на допустимые прогибы, чтобы обеспечить нормальную работу кровли и эстетический вид конструкции.

Корректный сбор нагрузок и их правильное комбинирование являются залогом надежности и долговечности всего здания.

Глава 3. Статический расчет фермы и определение усилий в стержнях

Зная величину нагрузок, действующих на покрытие, мы можем перейти к анализу основного несущего элемента — стропильной фермы. Статический расчет фермы преследует цель определить внутренние усилия (сжатие или растяжение) в каждом ее стержне. Эти усилия служат основой для последующего подбора сечений.

Выбор конструктивной схемы фермы (например, сегментной, полигональной или треугольной) зависит от пролета, типа кровли и архитектурных требований. Для промышленных зданий часто применяют фермы с параллельными поясами или полигональные, так как они обеспечивают рациональное распределение усилий. В нашем случае используется металлодеревянная ферма, где верхний пояс и решетка выполнены из дерева, а нижний, растянутый пояс — из стали. Это позволяет эффективно использовать материалы в соответствии с их работой: дерево хорошо сопротивляется сжатию, а сталь — растяжению.

Для определения усилий можно использовать один из классических методов строительной механики:

• Метод вырезания узлов: Последовательно рассматривается равновесие каждого узла фермы под действием внешних нагрузок и внутренних усилий в стержнях. Этот метод удобен для ручного расчета.
• Метод построения диаграммы Максвелла-Кремоны: Графический метод, позволяющий быстро найти усилия во всех стержнях путем построения замкнутых силовых многоугольников для каждого узла.

Результаты статического расчета удобно свести в таблицу, где для каждого элемента указывается его номер, расчетное усилие и его знак: «-» для сжатых стержней и «+» для растянутых.

Пример таблицы усилий в стержнях фермы

Элемент	Усилие, кН	Тип деформации
Верхний пояс (панель 1-2)	-150.5	Сжатие
Нижний пояс (панель 10-11)	+140.2	Растяжение
Стойка (панель 2-11)	-35.8	Сжатие

Полученные значения являются исходными данными для конструирования и расчета сечений всех элементов фермы.

Глава 4. Расчет и конструирование сжато-изгибаемого верхнего пояса

Верхний пояс фермы является одним из наиболее ответственных элементов, поскольку он испытывает сложное напряженное состояние. В отличие от других стержней, он работает не на чистое сжатие, а на сжатие с изгибом. Это обусловлено двумя факторами:

1. Осевое сжатие (N): Возникает от общего статического расчета фермы, как в любом сжатом стержне.
2. Местный изгиб (M): Появляется из-за того, что нагрузка от кровли передается на пояс не строго в узлах, а распределяется по его длине через кровельные прогоны. Участок пояса между двумя узлами работает как неразрезная балка.

Подбор сечения верхнего пояса, как правило, из клееной или цельной древесины, ведется по формулам для сжато-изгибаемых элементов. Однако ключевым расчетом для таких длинных и сжатых элементов является проверка на устойчивость. Деревянный стержень под действием сжимающей силы может потерять устойчивость (изогнуться вбок) задолго до того, как в нем будут достигнуты предельные напряжения прочности. Эта проверка гарантирует, что элемент сохранит свою прямолинейную форму под нагрузкой.

Алгоритм расчета включает:

• Предварительный подбор сечения (например, прямоугольного) из условия прочности.
• Определение расчетных длин элемента в плоскости фермы и из плоскости фермы. Расчетная длина зависит от способа закрепления элемента и наличия раскреплений.
• Вычисление гибкости стержня — отношения его расчетной длины к радиусу инерции сечения.
• Проверка по формуле устойчивости, которая учитывает как напряжения от сжатия, так и от изгиба.

Важно понимать, что именно потеря устойчивости, а не прочности, является наиболее частой причиной разрушения длинных сжатых деревянных элементов. Поэтому этому расчету уделяется первостепенное внимание.

Если проверка не выполняется, необходимо увеличить сечение элемента (чаще всего его ширину, чтобы повысить устойчивость из плоскости фермы) и повторить расчет.

Глава 5. Проектирование растянутого нижнего пояса и элементов решетки

После расчета наиболее нагруженного верхнего пояса приступаем к подбору сечений остальных элементов фермы: растянутого нижнего пояса и решетки (стоек и раскосов).

Расчет стального нижнего пояса

В принятой конструктивной схеме металлодеревянной фермы нижний пояс работает исключительно на растяжение. Для этой цели наиболее рационально использовать сталь, так как она обладает высоким сопротивлением растяжению при малом сечении. Расчет сводится к подбору площади поперечного сечения по простой формуле прочности:

A_req ≥ N / R_y

где N — максимальное растягивающее усилие из статического расчета, а R_y — расчетное сопротивление стали растяжению. В качестве сечения обычно используют круглую сталь или парные уголки. Такое решение не только экономически выгодно, но и технологично в плане устройства узлов.

Расчет элементов решетки (стоек и раскосов)

Элементы решетки, выполненные из дерева, работают либо на центральное сжатие (стойки), либо на центральное растяжение (раскосы). Их расчет ведется по отдельности в зависимости от знака усилия.

• Растянутые раскосы: Расчет ведется на прочность по аналогии со стальным поясом. Основное внимание уделяется проверке ослабленного сечения в местах крепления (например, в местах расположения болтов или врубок).
• Сжатые стойки: Для этих элементов, как и для верхнего пояса, ключевой является проверка на устойчивость. Несмотря на то, что они не испытывают изгиба от внешней нагрузки, под действием сжимающей силы они могут потерять устойчивость. Алгоритм их расчета аналогичен расчету верхнего пояса, но без учета изгибающего момента. Подбирается сечение (обычно квадратное или прямоугольное из досок), вычисляется его гибкость и выполняется проверка по соответствующей формуле.

Таким образом, для каждого типа элементов применяется свой расчетный подход, учитывающий вид напряженно-деформированного состояния и свойства материала, из которого он изготовлен. Это обеспечивает надежную и экономичную работу всей конструкции фермы.

Глава 6. Расчет и конструирование узловых соединений фермы

Подбор сечений стержней — это лишь половина задачи. Конструкция будет работать как единое целое только в том случае, если узлы, соединяющие эти стержни, способны надежно передавать усилия от одного элемента к другому. Проектирование узлов — это сложный и ответственный этап, требующий понимания механики работы соединений.

Рассмотрим несколько ключевых узлов фермы и принципы их расчета:

1. Опорный узел: Место, где ферма опирается на колонну. Здесь передается максимальная вертикальная опорная реакция. Узел должен быть рассчитан на смятие древесины верхнего пояса, а также на срез в элементах, соединяющих верхний и нижний пояса.
2. Узел примыкания сжатой стойки к верхнему поясу: В этом узле усилие от стойки должно быть передано на пояс. Часто здесь используют лобовые врубки, которые работают на смятие древесины под углом к волокнам.

На примере болтового соединения, которое может применяться для крепления раскосов, можно продемонстрировать логику расчета. Он включает несколько проверок:

• Проверка на смятие древесины: Необходимо убедиться, что давление от болта на стенки отверстия не приведет к смятию древесины.
• Проверка на изгиб болта: Болт, работая как балка на двух опорах (внешние элементы пакета), изгибается под действием силы от среднего элемента. Нужно проверить, выдержит ли он этот изгиб.
• Проверка на срез древесины: Необходимо проверить участок древесины на скалывание вдоль волокон от края элемента до болта.

Конструирование узлов подчиняется важному правилу: оси всех стержней, сходящихся в узле, должны пересекаться в одной точке. Это позволяет избежать возникновения дополнительных изгибающих моментов и обеспечивает работу стержней строго на осевые усилия, как это было заложено в статической расчетной схеме.

Для соединений также могут использоваться металлические зубчатые пластины, нагели, шпонки и клеевые соединения, каждое из которых имеет свою методику расчета и область применения.

Глава 7. Расчет составной деревянной колонны на центральное сжатие

После того как горизонтальная несущая конструкция (ферма) рассчитана, необходимо спроектировать вертикальные опоры, на которые она будет передавать нагрузку. В качестве колонн в деревянных каркасах часто применяют не цельный брус, а составные сечения. Такая колонна собирается из нескольких досок или брусков, соединенных между собой податливыми связями, например, болтами, гвоздями или специальными прокладками.

Преимущества составных колонн:

• Возможность использовать пиломатериалы стандартных, небольших сечений.
• Более эффективное просушивание древесины и меньшая подверженность короблению.
• Простота изготовления и монтажа.

Специфика расчета таких колонн заключается в учете податливости связей. Поскольку соединительные элементы (болты) не являются абсолютно жесткими, при изгибе колонны происходит некоторый сдвиг отдельных ветвей относительно друг друга. Это снижает общую жесткость составного сечения по сравнению с эквивалентным ему цельным. Поэтому при расчете на устойчивость используется понятие приведенной гибкости, которая оказывается больше, чем у сплошной колонны тех же размеров.

Расчет составной колонны на центральное сжатие включает следующие проверки:

1. Проверка общей устойчивости колонны: Выполняется как для обычного сжатого стержня, но с учетом приведенной гибкости, зависящей от податливости швов между ветвями.
2. Проверка прочности отдельных ветвей: Каждая доска, из которой состоит колонна, проверяется на устойчивость на участке между соседними соединительными планками или болтами.
3. Расчет соединительных элементов: Связи (болты или планки) рассчитываются на сдвигающее усилие, возникающее между ветвями при изгибе колонны.

Таким образом, расчет составных сечений сложнее, чем сплошных, и требует обязательного учета деформативности соединений для корректной оценки их несущей способности.

Глава 8. Применение конструкций из пластмасс в проекте

Хотя основные несущие конструкции в данном проекте (фермы и колонны) выполнены из дерева и стали, тема курсовой работы также затрагивает применение пластмасс. В контексте проектируемого производственного здания пластмассы не используются в качестве главных несущих элементов, но могут эффективно выполнять другие важные функции.

Наиболее целесообразно применение полимерных материалов в качестве:

• Ограждающих конструкций: Стеновые сэндвич-панели с утеплителем из пенополистирола или пенополиуретана обеспечивают отличную теплоизоляцию при малом весе.
• Светопрозрачных элементов: Вместо традиционного стекла в кровле могут быть устроены вставки из сотового поликарбоната для естественного освещения цеха. Этот материал легок, прочен и обладает хорошими теплоизоляционными свойствами.
• Элементов утепления и гидроизоляции: Различные полимерные пленки, мембраны и утеплители (например, пенопласт) широко применяются в конструкции кровли и стен.

При проектировании элементов из пластмасс необходимо учитывать их специфические физико-механические свойства, которые кардинально отличаются от свойств древесины и стали:

Низкий модуль упругости: Пластмассы обладают высокой деформативностью, что ограничивает их применение в сильно нагруженных несущих конструкциях.
Высокая температурная чувствительность: Прочность и жесткость многих полимеров значительно снижаются при повышении температуры. Также они имеют высокий коэффициент температурного расширения, что требует устройства специальных компенсационных швов.

Таким образом, в данном проекте пластмассы играют важную вспомогательную роль, позволяя создавать легкие, энергоэффективные и долговечные ограждающие конструкции.

Глава 9. Оформление пояснительной записки и графической части

Завершающим этапом курсовой работы является грамотное оформление результатов расчетов и проектных решений в виде пояснительной записки и комплекта чертежей. Качественное оформление не только демонстрирует проделанную работу, но и является неотъемлемой частью инженерной культуры.

Структура пояснительной записки

Пояснительная записка — это текстовый документ, который содержит все обоснования, расчеты и выводы по проекту. Ее стандартная структура выглядит следующим образом:

1. Титульный лист и задание на проектирование.
2. Содержание.
3. Введение: Здесь приводится описание объекта, район строительства, анализируются исходные данные и обосновывается выбор конструктивной схемы.
4. Расчетные главы: Последовательно излагаются все этапы расчета в той же логике, что и в данном руководстве:
   • Сбор нагрузок.
   • Статический расчет фермы.
   • Подбор сечений элементов (верхний пояс, нижний пояс, решетка).
   • Расчет и конструирование узлов.
   • Расчет составной колонны.
5. Заключение: Краткие выводы по работе, технико-экономические показатели (например, расход материалов).
6. Список использованной литературы: Перечень нормативных документов (СП, ГОСТ) и учебных пособий.

Состав графической части

Графическая часть наглядно представляет принятые конструктивные решения. Обычно она выполняется на листах формата А1 и включает:

• Общий вид здания: План, фасады, разрезы с указанием основных размеров, отметок и расположения несущих конструкций.
• Рабочий чертеж фермы: Детальное изображение фермы со всеми размерами, сечениями элементов, усилиями в стержнях и спецификацией материалов.
• Чертежи узлов: Выносные, укрупненные изображения наиболее сложных и ответственных узлов (опорного, конькового, узлов решетки) с детальной проработкой всех соединительных элементов.
• Рабочий чертеж колонны: Изображение колонны, ее сечения, схема расположения соединительных планок или болтов, узел опирания на фундамент и сопряжения с фермой.

Тщательное и аккуратное оформление документации является ключом к успешной защите курсового проекта.

Список литературы

1. Свод правил СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*. – М., 2011.
2. Свод правил СП 64.13330.2011 Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25-80. – М., 2011.
3. СНиП II-25-80 (1988). Деревянные конструкции. – М, 1988.
4. ГОСТ 24454-80 (2007). Пиломатериалы хвойных пород. Размеры. – М., 2007.
5. Свод правил СП 16.13330.2011 Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25-81*. – М., 2011.
6. СНиП II-23-81 (1990). Стальные конструкции. – М., 1990.
7. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СП-52-101-2003. – М., 2012.
8. Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП II-25-80) – М., 1986.
9. Конструкции из дерева и пластмасс / Э.В. Филимонов, Л.К. Ермоленко, М.М. Гаппоев, И.М. Гуськов, В.И. Линьков и др. М.: ACB, 2010.
10. Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП II-25-80). М.: Стройиздат, 1986.
11. Конструкции из дерева и пластмасс: Учеб. для вузов/ Ю.В. Слицкоухов, В.Д. Будаков, М.М. Гаппоев и др.; Под ред. Г.Г. Карлсена и Ю.В. Слицкоухова. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1986. – 543 с., ил.