Методика выполнения курсовой работы на тему «Проектирование деревянных зданий»

Введение и формирование технического задания на проектирование

Применение деревянных конструкций в современном строительстве переживает ренессанс. Благодаря развитию технологий, в частности производству клееного бруса и CLT-панелей, древесина перестала быть материалом исключительно для малоэтажного частного домостроения. Сегодня из нее возводят большепролетные промышленные и гражданские здания, что доказывает ее высокую эффективность и конкурентоспособность.

Цель данной курсовой работы — спроектировать одноэтажное промышленное здание, освоив на практике методику расчета и конструирования основных несущих элементов из клееной древесины в соответствии с актуальными нормативными документами.

Первым и ключевым шагом является формирование исходных данных, которые станут фундаментом для всех последующих расчетов. Этот процесс включает в себя:

1. Выбор района строительства. Этот параметр напрямую влияет на климатические нагрузки. На основе местоположения определяются нормативные значения веса снегового покрова и ветрового давления, которые являются одними из основных временных нагрузок на здание.
2. Определение габаритов здания. Необходимо четко зафиксировать пролет (в нашем случае — 21 м), общую длину (например, 65 м) и высоту до низа несущих конструкций. Эти размеры определяют как конструктивную схему, так и экономические показатели проекта.
3. Назначение здания. Тип здания (например, цех по производству клееных деревянных конструкций) влияет на требования к объемно-планировочным решениям, а также на состав полезных нагрузок.
4. Обоснование выбора материалов. В качестве основного материала для несущих конструкций принимается клееная древесина. Ее физико-механические свойства, такие как высокая прочность при относительно малом весе, позволяют перекрывать большие пролеты. Для конструкций покрытия (ограждающей части) целесообразно использовать клеефанерные плиты, которые сочетают в себе несущие и ограждающие функции.

После того как мы определили «что» и «из чего» мы проектируем, необходимо выбрать конструктивную схему, которая наилучшим образом решит поставленную задачу.

Выбор и обоснование общей конструктивной схемы здания

Выбор конструктивной схемы — ответственный этап, определяющий компоновку всего здания, его надежность и экономическую эффективность. Для перекрытия пролетов в промышленном строительстве могут применяться различные типы конструкций:

• Балки: Рациональны для небольших пролетов.
• Рамы: Эффективны для создания свободного внутреннего пространства, часто используются в зданиях с жестким сопряжением ригеля и колонны.
• Арки: Позволяют перекрывать очень большие пролеты, создавая выразительные архитектурные формы, но более сложны в изготовлении и монтаже.
• Фермы: Являются одним из самых рациональных решений для пролетов от 18 метров и более. Они экономичны по расходу материала, так как древесина в их стержнях работает преимущественно на осевые усилия (растяжение или сжатие).

Исходя из заданного пролета в 21 метр, наиболее оптимальным решением является применение клееной сегментной фермы. Такая форма фермы близка к параболической, что обеспечивает более равномерное распределение усилий в элементах верхнего пояса и способствует снижению расхода материала.

Далее необходимо определить шаг несущих конструкций. Принимаем шаг рам равным 6 метрам. Этот выбор продиктован принципами унификации и использования типовых проектных решений, что упрощает производство и монтаж конструкций. Общая компоновка каркаса здания будет представлять собой ряд поперечных рам, состоящих из двух колонн, на которые шарнирно опирается клееная ферма. Для обеспечения пространственной жесткости и устойчивости каркаса предусматривается система вертикальных и горизонтальных связей.

Конструктивная схема выбрана. Теперь, чтобы приступить к расчетам конкретных элементов, нужно определить, какие силы будут на них действовать. Этой задаче посвящен сбор нагрузок.

Сбор нагрузок как основа для всех последующих расчетов

Расчет нагрузок — это фундамент для всех последующих проверок прочности и устойчивости. Ошибки на этом этапе могут привести к неверному подбору сечений и поставить под угрозу безопасность всего сооружения. Все нагрузки классифицируются на постоянные (действуют непрерывно) и временные (длительные, кратковременные, особые). Расчет ведется в строгом соответствии с СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции» и сопутствующими нормами.

Постоянные нагрузки

К ним относится собственный вес всех конструктивных элементов здания. Расчет ведется послойно, «сверху вниз»:

1. Вес кровельного покрытия: Включает вес рулонных материалов, стяжки, гидро- и пароизоляции.
2. Вес утеплителя: Зависит от его типа и толщины, которая определяется теплотехническим расчетом.
3. Вес ограждающей конструкции покрытия: В нашем случае — вес клеефанерной плиты.
4. Вес прогонов (если они есть).
5. Собственный вес несущей фермы: Определяется предварительно на основе опыта проектирования и уточняется после подбора сечений всех ее элементов.

Временные нагрузки

Для нашего проекта ключевыми временными нагрузками являются снеговая и ветровая.

• Снеговая нагрузка: Ее нормативное значение зависит от снегового района строительства и определяется по картам районирования территории. Расчетное значение получается умножением нормативного на ряд коэффициентов, учитывающих уклон кровли, тепловой режим здания и другие факторы.
• Ветровая нагрузка: Зависит от ветрового района, высоты здания и типа окружающей местности. Эта нагрузка вызывает как давление на наветренные поверхности, так и отсос на подветренных и на кровле.

Результаты сбора нагрузок удобно сводить в таблицы, отдельно для постоянных и временных, с указанием нормативных и расчетных значений. Эти таблицы будут служить справочным материалом на всех последующих этапах проектирования.

Имея на руках полные данные о нагрузках, мы можем начать проектирование отдельных конструктивных элементов, двигаясь сверху вниз — от покрытия к фундаменту. Первым на очереди стоит элемент ограждения.

Проектирование и расчет ограждающей конструкции покрытия

В качестве ограждающей конструкции покрытия, которая непосредственно воспринимает снеговую нагрузку и собственный вес кровли, принимаем клеефанерную плиту. Эта конструкция представляет собой панель, состоящую из продольных и поперечных деревянных ребер, обшитых с двух сторон фанерой. Такая плита эффективно работает на изгиб и передает всю нагрузку на несущие фермы.

Процесс расчета включает несколько этапов:

1. Определение расчетной схемы. Плита рассматривается как многопролетная неразрезная балка, опирающаяся на фермы.
2. Статический расчет. Производится сбор нагрузок на 1 погонный метр плиты. На основе этих данных строятся эпюры изгибающих моментов и поперечных сил, по максимальным значениям которых и будет подбираться сечение.
3. Подбор сечения плиты. На этом этапе определяются требуемая высота деревянных ребер, их шаг и толщина листов фанеры. Цель — подобрать сечение, которое будет одновременно прочным и экономичным.
4. Проверка сечения по предельным состояниям. Это финальный и самый ответственный этап.
   • Проверка по 1-й группе (на прочность): Выполняется проверка прочности сечения по нормальным напряжениям (на изгиб) и по касательным напряжениям (на срез).
   • Проверка по 2-й группе (на жесткость): Рассчитывается фактический прогиб плиты от нормативных нагрузок, который не должен превышать предельно допустимых значений, установленных нормами.

Только после того, как все проверки успешно пройдены, сечение клеефанерной плиты можно считать подобранным верно.

Ограждающие конструкции рассчитаны. Теперь они передают всю нагрузку на основную несущую систему — ферму, расчет которой является ядром всей курсовой работы.

Расчет и конструирование клееной сегментной фермы

Клееная сегментная ферма — главный несущий элемент покрытия. Ее расчет является наиболее трудоемкой и ответственной частью курсовой работы. Он выполняется в следующей последовательности:

1. Определение геометрии. Задается очертание поясов (сегментное для верхнего и прямое для нижнего), определяется строительная высота фермы на опоре и в середине пролета, а также длина панелей верхнего пояса.
2. Сбор узловых нагрузок. Все нагрузки от покрытия (постоянные и снеговая) приводятся к узлам верхнего пояса фермы.
3. Статический расчет. Цель этого этапа — определить усилия (растяжение или сжатие) во всех стержнях фермы. Расчет можно выполнить аналитически (например, методом вырезания узлов) или с использованием специализированного программного обеспечения, такого как SCAD Office или LIRA-SAPR, что значительно ускоряет процесс.
4. Подбор и проверка сечений элементов. Это самый объемный этап, на котором для каждого стержня подбирается сечение из клееного бруса и выполняется полный комплекс проверок по СП 64.13330.2017.
   • Растянутый нижний пояс: Проверяется на прочность по ослабленному сечению.
   • Сжато-изгибаемый верхний пояс: Наиболее сложный элемент. Проверяется на прочность и устойчивость при совместном действии сжимающей силы и изгибающего момента от нагрузки, приложенной между узлами.
   • Сжатые стойки и раскосы: Проверяются на прочность и устойчивость при центральном сжатии.
   • Растянутые раскосы: Проверяются на прочность.

Для всех сжатых элементов также выполняется проверка на гибкость, чтобы исключить потерю устойчивости.

Ферма, главный горизонтальный элемент, спроектирована. Теперь необходимо рассчитать вертикальные опоры, на которые она будет передавать всю нагрузку — колонны.

Проектирование и расчет центрально-сжатой деревянной колонны

Колонны воспринимают вертикальную нагрузку от ферм и передают ее на фундаменты. Их расчет, как правило, менее сложен, чем расчет фермы, но требует не меньшего внимания.

Методика расчета включает:

1. Определение расчетной схемы. В большинстве случаев сопряжение колонны с фундаментом и фермой принимается шарнирным. Это влияет на определение расчетной длины колонны, которая необходима для проверки устойчивости.
2. Расчет нагрузки. Нагрузка на одну колонну складывается из опорной реакции фермы (от постоянных и снеговых нагрузок), а также собственного веса колонны и веса примыкающих стеновых конструкций.
3. Подбор сечения. Предварительно задается сечение колонны из клееного бруса (например, квадратное или прямоугольное).
4. Проверка на прочность и устойчивость. Это ключевой этап. Сечение проверяется на прочность при центральном сжатии. Затем, с учетом расчетной длины и гибкости, выполняется проверка на устойчивость, которая для сжатых элементов является определяющей. При расчете важно учитывать анизотропию древесины — ее различные свойства вдоль и поперек волокон.
5. Конструирование базы колонны. Прорабатывается узел опирания колонны на фундамент, который должен обеспечивать надежную передачу нагрузки и защищать торец древесины от увлажнения.

Все основные несущие элементы (плита, ферма, колонна) рассчитаны. Однако прочность всей системы определяется прочностью ее самых слабых звеньев — узловых соединений.

Конструирование и расчет ключевых узлов деревянных конструкций

Надежность деревянного каркаса во многом зависит от того, насколько грамотно спроектированы и рассчитаны узлы — места соединения отдельных элементов. В современных конструкциях чаще всего применяются соединения на металлических крепежных изделиях: болтах, шпильках, нагелях, а также с использованием стальных накладок.

В рамках курсовой работы необходимо детально рассчитать и законструировать как минимум два ключевых узла:

• Опорный узел фермы. Это узел сопряжения нижнего пояса фермы с оголовком колонны. Расчет включает определение необходимого количества болтов (или нагелей) для передачи опорной реакции. Кроме того, выполняются проверки древесины на смятие под опорной площадкой и на скалывание, чтобы предотвратить разрушение торцевой части элемента.
• Узел примыкания раскоса к поясу. Здесь рассчитывается соединение, передающее усилие от сжатого или растянутого раскоса на верхний или нижний пояс фермы. Расчет ведется на прочность соединительных элементов и на смятие/скалывание древесины в элементах узла.

Результатом этого этапа являются не только расчеты, но и детальные чертежи узлов с указанием всех размеров, материалов и расположения крепежных элементов, которые затем включаются в графическую часть проекта.

Проект практически готов. Осталось рассмотреть не менее важные аспекты, обеспечивающие его надежность в долгосрочной перспективе, и подвести итоги работы.

Обеспечение долговечности, огнестойкости и оформление пояснительной записки

Проектирование не заканчивается на расчетах прочности. Важнейшей задачей является обеспечение длительного срока службы конструкций и их безопасности.

Долговечность и огнестойкость

Для этого предусматривается комплекс мероприятий:

• Защита от биоповреждений и влаги: Древесина подвержена гниению и поражению насекомыми. Для защиты применяют конструктивные меры (проветривание, гидроизоляция от фундамента) и химические (антисептирование всех элементов специальными составами).
• Обеспечение огнестойкости: Вопреки стереотипам, массивные клееные деревянные конструкции обладают достаточно высокой огнестойкостью. При воздействии огня на поверхности образуется слой угля, который замедляет прогрев сечения. Требуемый предел огнестойкости обеспечивается как подбором сечений с учетом скорости обугливания, так и применением огнезащитных пропиток и покрытий (антипиренов).

Выводы и оформление работы

В заключительной части работы необходимо сформулировать общие выводы, обобщив все принятые проектные решения: от выбора схемы и материалов до конкретных сечений основных элементов. Это демонстрирует целостность выполненного проекта.

Итоговый документ — пояснительная записка — должен иметь четкую структуру:

1. Титульный лист
2. Содержание
3. Введение (с описанием цели и исходных данных)
4. Основная часть (включающая все разделы расчетов)
5. Заключение (с выводами по работе)
6. Список использованной литературы

Грамотное оформление и структурирование информации так же важны, как и верность самих расчетов, поскольку они отражают общую инженерную культуру проектировщика.

Список литературы

1. Конструкции из дерева и пластмасс: Учеб. для вузов/ В.Д. Буданов, М.М. Гаппоев и др.; Под ред. Г.Г. Карлсена и Ю.В. Слицкоухова.-5-е изд., перераб. и доп.-М.: Стройиздат, 1986.-543с., ил.
2. Зубарев Г.Н., Конструкции из дерева и пластмасс: Учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по спец. «Промышленное и гражданское строительство».-2-е изд., перераб. и доп.-М.: Высш. школа, 1990-287с., ил.
3. Примеры расчета металлических конструкций: Учеб. пособие для техникумов./ Мандриков А.П.-2-е изд., перераб. и доп.-М.: Стройиздат, 1991.-431 с.: ил.
4. СНиП II-25-80. Деревянные конструкции. Нормы проектирования/Госстрой СССР.-М.: Стройиздат, 1982.
5. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. – М., 1986.