Введение, где мы определяем цели и исходные данные проекта
Проектирование деревянных конструкций — актуальная задача в современном строительстве, сочетающая экологичность материала с высокими несущими способностями. Цель данной курсовой работы — спроектировать основные несущие и ограждающие элементы однопролетного промышленного здания, пройдя все этапы от сбора нагрузок до конструирования узлов.
В качестве объекта проектирования выступает одноэтажное промышленное здание каркасного типа. Для выполнения расчетов принимаем следующие исходные данные:
- Конструктивная схема: однопролетная рама с шарнирным опиранием ригеля на стойки и жестким защемлением колонн в фундаменте.
- Пролет здания: 18 метров.
- Район строительства: II снеговой район.
- Основные материалы: несущие конструкции — клееный брус; ограждающие конструкции покрытия — клеефанерные плиты.
В ходе работы будут последовательно рассчитаны ключевые элементы: плита покрытия, несущая балка и стойка рамы, а также спроектирован узел их опирания. После того как мы определили задачу, необходимо собрать все действующие на нашу конструкцию нагрузки, чтобы расчеты были корректными.
Основа всех расчетов, или Как правильно собрать нагрузки
Точность всего последующего проекта напрямую зависит от корректности сбора нагрузок. Этот этап выполняется в строгом соответствии с нормативными требованиями СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Все нагрузки делятся на две основные группы: постоянные и временные.
Постоянные нагрузки включают в себя собственный вес всех слоев кровельного покрытия («пирога»), а также вес самих несущих конструкций. Расчет ведется на 1 квадратный метр покрытия путем суммирования веса каждого материала:
- Вес кровельного ковра (гидроизоляция).
- Вес утеплителя.
- Вес пароизоляции.
- Вес клеефанерной плиты.
Временные нагрузки для нашего проекта — это в первую очередь снеговая нагрузка. Для II снегового района, согласно СП 20.13330.2016, нормативное значение снеговой нагрузки составляет 1,2 кН/м² (около 120 кг/м²). Расчетное значение получается умножением нормативного на коэффициент надежности по нагрузке. Именно расчетное значение используется в проверках на прочность.
Теперь, имея на руках полные данные о нагрузках, мы можем приступить к расчету первого элемента, который их воспринимает, — плиты покрытия.
Проектируем ограждающую конструкцию. Расчет клеефанерной плиты
Клеефанерная плита в данной конструкции выполняет ограждающую функцию и работает как изгибаемый элемент (балка), передающий нагрузку на несущие ригели. Полный цикл ее расчета включает проверки по первой и второй группам предельных состояний.
Процесс расчета выглядит следующим образом:
- Определение расчетной схемы и нагрузок. Плита рассматривается как однопролетная балка, на которую действует равномерно распределенная нагрузка от собственного веса и снегового покрова.
- Расчет геометрических характеристик. Определяются момент инерции (I) и момент сопротивления (W) для сечения плиты.
- Проверка прочности по нормальным напряжениям. Максимальные напряжения в сечении (σ_max) от изгиба не должны превышать расчетного сопротивления древесины изгибу (Rb). Формула проверки: σ_max ≤ Rb.
- Проверка устойчивости плоской формы деформирования. Необходимо убедиться, что сжатый пояс плиты не потеряет устойчивость.
- Проверка по предельно допустимому прогибу (жесткость). Фактический прогиб плиты от нормативных нагрузок (f) сравнивается с предельно допустимым (f_lim). Для плит покрытия предельный прогиб часто принимается равным L/300, где L — пролет плиты.
Только если все эти условия выполняются, принятая толщина плиты считается достаточной. Плиты покрытия передают всю нагрузку на несущие балки. Логично, что следующим шагом будет расчет именно этих балок.
Расчет несущей дощатоклееной балки. Проверка прочности
Дощатоклееная балка — основной несущий элемент покрытия, воспринимающий нагрузку от плит и передающий ее на колонны. Расчет балки ведется в соответствии с СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции». Первым шагом является проверка ее прочности.
Сначала определяется нагрузка, приходящаяся на одну балку, с учетом ее шага. На основе этой нагрузки вычисляются максимальный изгибающий момент (M) и максимальная поперечная сила (Q) в сечениях балки. После этого подбирается требуемая высота сечения из условия прочности по нормальным напряжениям.
После предварительного подбора сечения выполняются обязательные проверочные расчеты:
- Проверка прочности по нормальным напряжениям: максимальные напряжения от изгиба σ_max должны быть меньше расчетного сопротивления клееной древесины R_b.
- Проверка прочности по касательным напряжениям: максимальные касательные напряжения τ_max, возникающие от поперечной силы, сравниваются с расчетным сопротивлением скалыванию R_bs.
- Проверка на скалывание в опорной зоне: выполняется дополнительная проверка напряжений скалывания на опорной площадке балки.
Балка, выдерживающая нагрузки по прочности, — это лишь половина дела. Необходимо убедиться, что она не будет прогибаться сверх допустимых пределов.
Завершаем расчет балки. Проверка на жесткость и устойчивость
Проверка по прочности гарантирует, что балка не разрушится под нагрузкой. Однако не менее важна проверка по второй группе предельных состояний — по деформациям (прогибам), которая обеспечивает эксплуатационную пригодность конструкции. Избыточный прогиб может привести к нарушению работы кровли и неэстетичному виду.
Расчет на жесткость заключается в сравнении фактического прогиба балки (f), вычисленного от нормативных нагрузок, с предельно допустимым значением (f_lim). Согласно СП 64.13330.2017 (ранее СНиП II-25-80), для балок покрытий предельный прогиб может составлять от L/300 до L/400 в зависимости от типа конструкции. Условие должно выполняться: f ≤ f_lim.
Кроме того, для высоких и узких сечений балок обязательна проверка устойчивости плоской формы изгиба. Это гарантирует, что балка не потеряет устойчивость и не «вывернется» из плоскости действия нагрузки. По итогам всех проверок (на прочность, жесткость и устойчивость) делается окончательный вывод о достаточности подобранного сечения балки.
Мы рассчитали горизонтальные элементы покрытия. Теперь необходимо спроектировать вертикальные опоры, которые будут нести всю эту нагрузку, — стойки рамы.
Проектирование вертикальных опор. Статический расчет стойки рамы
Стойка рамы (колонна) в нашем проекте является сжато-изгибаемым элементом, так как она воспринимает не только вертикальную, но и горизонтальную нагрузку. Расчетная схема стойки, согласно исходным данным, — это стержень с жестким защемлением внизу (в фундаменте) и шарнирным опиранием ригеля вверху.
На стойку действуют следующие нагрузки:
- Вертикальная сила (N): опорная реакция от несущей балки покрытия.
- Горизонтальная нагрузка: ветровое воздействие, которое вызывает изгиб стойки.
Задача статического расчета — определить усилия, возникающие в сечениях стойки от этих нагрузок. Для этого строятся эпюры изгибающих моментов (M), поперечных (Q) и продольных (N) сил. Анализ эпюр позволяет найти наиболее опасное сечение, в котором действуют максимальные значения усилий, и использовать их для дальнейшего подбора сечения и проверки несущей способности.
После определения усилий в стойке, мы можем перейти к подбору ее сечения и проверке несущей способности.
Подбор сечения стойки и проверка ее несущей способности
Расчет сжато-изгибаемого элемента — одна из наиболее комплексных задач в курсовой работе, так как необходимо учесть совместное влияние продольной силы (N) и изгибающего момента (M). На основе усилий, полученных в ходе статического расчета, выполняется предварительный подбор сечения стойки.
Далее принятое сечение должно пройти полную проверку по первой группе предельных состояний, которая включает два ключевых этапа:
- Проверка прочности. Сечение проверяется на совместное действие нормальных напряжений от изгиба и сжатия. Формула проверки учитывает оба силовых фактора и гарантирует, что суммарные напряжения не превысят расчетного сопротивления древесины.
- Проверка устойчивости. Это наиболее важная проверка для сжатых и сжато-изгибаемых элементов. Необходимо убедиться, что стойка не потеряет устойчивость в плоскости изгиба (в плоскости действия рамы).
Если оба условия выполняются с небольшим запасом, принятое сечение стойки считается достаточным. Конструкция состоит не только из отдельных элементов, но и из их соединений. Прочность всей системы определяется прочностью самого слабого звена, поэтому следующим шагом будет расчет узла.
Конструкция узла защемления стойки в фундаменте
Узел защемления стойки в фундаменте является одним из самых ответственных в каркасе здания, так как он обеспечивает его общую пространственную жесткость. Конструктивно этот узел чаще всего решается с помощью стального башмака, который крепится к фундаменту анкерными болтами, а стойка устанавливается внутрь башмака.
Расчет этого узла сводится к определению усилий, которые он должен воспринять из опасного сечения стойки: изгибающего момента (M), продольной (N) и поперечной (Q) сил. На основе этих усилий выполняется расчет наиболее нагруженных элементов соединения. В первую очередь, это расчет анкерных болтов, которые работают на растяжение от изгибающего момента. Необходимо определить их требуемый диаметр и количество, чтобы обеспечить надежное крепление башмака к фундаменту.
Помимо расчета, важной частью работы является графическое изображение узла с указанием всех основных размеров, сварных швов и элементов крепления. Когда все несущие элементы и узлы рассчитаны, необходимо подумать о долговечности конструкции и защитить ее от внешних воздействий.
Как обеспечить долговечность, или Меры по защите древесины
Древесина — прочный и экологичный, но в то же время уязвимый материал. Ее главными врагами являются биологическое разрушение (гниение) и огонь. Поэтому неотъемлемой частью любого проекта деревянных конструкций является раздел, посвященный мерам по их защите.
Все защитные мероприятия можно разделить на две группы:
- Конструктивные меры. Это проектные решения, которые предотвращают увлажнение древесины. К ним относятся: обеспечение эффективного проветривания конструкций, устройство надежной гидроизоляции между деревянной стойкой и бетонным фундаментом, а также организация правильного водоотвода с кровли.
- Химические меры. Это обработка древесины специальными составами. Антисептирование защищает от грибков и насекомых, а обработка антипиренами значительно снижает горючесть материала и повышает предел огнестойкости конструкции.
В курсовой работе необходимо указать, какие именно меры должны быть предусмотрены для спроектированного здания. На этом расчетная часть проекта завершена. Осталось подвести итоги и правильно оформить проделанную работу.
Заключение и ключевые аспекты оформления работы
В ходе выполнения курсовой работы были спроектированы основные несущие и ограждающие конструкции однопролетного промышленного здания. Были собраны нагрузки, подобраны сечения клеефанерной плиты покрытия, дощатоклееной балки и стойки рамы. Проверочные расчеты показали, что спроектированная конструкция полностью соответствует требованиям прочности, жесткости и долговечности, изложенным в актуальных нормативных документах.
При оформлении работы важно уделить внимание структуре пояснительной записки, которая должна включать введение, основную расчетную часть, заключение и список использованной литературы. Для выполнения расчетов и построения эпюр могут использоваться как ручные методы, так и программные комплексы (например, SCAD Office) или табличные процессоры (Excel). Графическая часть проекта обычно содержит чертеж общего вида здания в разрезе и детальные чертежи рассчитанных узлов.
Список использованной литературы
- СП 64.13330.2011 Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25-80.
- СНиП II-25-80. Деревянные конструкции. Нормы проектирования
- СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования.
- Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СниП II-25-80)
- А.Б. Шмидт, Ю.В. Халтурин, Л.Н. Пантюшина. 15 примеров расчета деревянных конструкций для курсовых и дипломных проектов: учебное пособие