1125
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
В.Г. Миронов
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным занятиям по дисциплине «Специальные вопросы
проектирования и расчета деревянных конструкций» 08.03.01 Строительство,
профиль Промышленное и гражданское строительство
Нижний Новгород
2016
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
В.Г. Миронов
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным занятиям по дисциплине «Специальные вопросы
проектирования и расчета деревянных конструкций» по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Промышленное и гражданское строительство
Нижний Новгород ННГАСУ
2016
УДК 624.011.1; 674.028.9
Миронов В.Г. Специальные вопросы проектирования и расчета деревянных конструкций. Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным занятиям по дисциплине «Специальные вопросы проектирования и расчета деревянных конструкций» по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Промышленное и гражданское строительство [Электронный ресурс]: учеб.- метод. пос. / В.Г. Миронов; Нижегор. гос. архитектур. -
строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 11 с; ил. 1 электрон. опт. диск (CD-RW)
Приведены рекомендации по изучению курса лекций по дисциплине «Специальные вопросы проектирования и расчета деревянных конструкций». Строение древесины. Особенности проектирования соединений, балок, колонн, стропильных ферм, как элементов зданий и сооружений.
Приведены основные особенности изучения лекций, изложены основные положения по освоению студентами тем первой части курса: основные особенности формирования знаний, умений и владений данным предметом; выбор породы на основе свойств древесины; основные положения проектирования и расчетов по первой и второй группам предельных состояний балок, колонн и ферм, а также соединений в деревянных конструкциях.
Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекционным занятиям по учебной дисциплине Б.3.35 «Специальные вопросы проектирования и расчета деревянных конструкций» по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Промышленное и гражданское строительство.
© |
В.Г. Миронов, 2016 |
© |
ННГАСУ, 2016. |
3
Введение.
В своей практической деятельности бакалавр направления 08.03.01 Строительство, профиль Промышленное и гражданское строительство (ПГС) может встречаться или с проектированием и возведением строительных ДЕРЕВЯННЫХ конструкций, или с их эксплуатацией. Во всех этих случаях ему необходимо четко представлять работу этих конструкций под нагрузкой.
Изучив курс «Специальные вопросы проектирования и расчета деревянных конструкций», студент должен обладать следующими навыками:
а) правильно оценивать свойства древесины, как строительного материала, правильно назначать ее применение в конструкциях;
б) правильно выбирать оптимальное решение деревянных конструкций; в) рационально и экономно проектировать деревянные конструкции.
Изучению курса должно предшествовать изучение следующих дисциплин: сопротивление материалов; строительная механика; архитектура промышленных и гражданских зданий.
Настоящее учебно-методическое пособие предназначено для студентов 4 курса (7-ой и 8-ой семестры) ННГАСУ в помощь при изучении курса лекций, на которые преподавателю в соответствии с действующим учебным планом выделено 25 академических часов лекционного времени, 34 часа лабораторных занятий и 16 часов практических занятий на поток из одной группы.
Основными особенностями изучения курса «Специальные вопросы проектирования и расчета деревянных конструкций» студентами направления 08.03.01 Строительство, профиль Промышленное и гражданское строительство являются:
Первая особенность. Приступая к изучению данного курса лекций и лабораторных занятий, студент должен, как будущий бакалавр по направлению Строительство с профилем «ПГС», понять, что здания и сооружения предназначены для удовлетворения определенных потребностей человека и общества, что они состоят из множества отдельных элементов и частей, объединенных в единые системы. Поэтому студент, решая практические задачи для отдельных несущих элементов, должен учитывать влияние на него других элементов всего здания (сооружения), так как нагрузки и воздействия, переходя от одного элемента к другому принимают форму внутренних усилий: нормальных, поперечных, изгибающих и крутящих.
Вторая особенность изучения данной дисциплины состоит в том, что нормативная база построена на принципах итерационных поверочных расчетов элементов на основе предвари-
тельно заданных параметров: сечений; материалов; первичных усилий, полученных с идеализированных расчетных схем; а задача конструктора – создать надежную конструктивную схему здания (сооружения), обеспечивающую простой и надежный путь силовых потоков.
Третья особенность определена максимально простыми алгоритмами поверочных расчетов элементов при сохранении требуемой надежности по нормам, но при понимании студентом теоретических обоснований принятых алгоритмов и расчетных положений.
Изучая расчеты и проектирование отдельных элементов и их соединений, студент должен понимать, что конструкции зданий (сооружений) делятся на три основные группы:
1)несущие, образующие основной каркас;
2)ограждающие (как правило, трехслойные или цельнодеревянные), выполняющие целый
ряд функций при эксплуатации здания (сооружения): терло- и влаго-изоляция, обеспечение
сопротивления атмосферным нагрузкам и другие; 3) вспомогательные: лестницы (деревянные и не только), площадки, окна, двери, другие,
предназначенные для обслуживания строительного объекта.
Более подробно об этом студенту рекомендуется самостоятельно ознакомиться в учебной литературе [ ] и законспектировать в дополнение к аудиторному конспекту лекций.
Объем учебной дисциплины и виды учебной работы:
4
7-ой семестр – лекций 17 часов; лабораторных занятий 34 часа; зачет по теоретическому курсу; таким образом, всего 51 час аудиторных занятий или 3 часа в неделю 17 недель; 8-й семестр – лекций – 8 часов; практических занятий – 16 часов; экзамен; таким образом, 24 часа аудиторных занятий в семестр или 3 часа в неделю 8 недель.
Самостоятельных занятий – 50 часов.
1. Рекомендации обучающимся по подготовке к лекциям
Цель курса – формирование у обучающихся определенного состава компетенций, которые базируются на характеристиках будущей профессиональной деятельности: приобретение будущими бакалаврами твердых теоретических знаний и практических навыков по вопросам расчета и проектирования индустриальных клееных деревянных конструкций (КДК).
Методы изучения материала - активная работа на лекциях и практических занятиях, самостоятельная работа студентов с литературными источниками, выполнение рас- четно-графической работы.
Основные виды учебных занятий - лекции, практические занятия, расчетнографическая работа, зачет, экзамен.
Учебные задачи - ознакомление студентов с методами расчета и проектирования как отдельных элементов из клееной древесины и их соединений, так целых систем каркаса зданий и сооружений. Получение навыков конструирования простых и сложных узловых соединений, их расчета на основе понимания работы каждого из элементов узлового соединения.
Лекции – форма учебного занятия, цель которого состоит в рассмотрении теоретических вопросов излагаемой дисциплины в логически выдержанной форме. Важно понять, что лекция не является копией учебника, а скорее – обобщением многочисленной литературы, авторской разработкой, которая отражает опыт преподавателя его представления о том, что студент должен знать.
Правильно законспектированный лекционный материал позволяет студенту создать устойчивый фундамент для самостоятельной подготовки, дает возможность получить и закрепить полезную информацию. Именно на лекции создаются основы для эффективной и плодотворной работы с информацией, которая нужна студенту как в профессиональной, так и в повседневной жизни.
Восприятие лекционного материала и его запись – это процесс постоянного сосредоточенного внимания, направленного на понимание рассуждений лектора, обдумывание полученных сведений, их оценку и сжатое изложение на бумаге в удобной для восприятия форме. То есть, самостоятельная работа студента на лекции заключается в осмыслении новой информации и ее краткой рациональной записи. Правильно записанная лекция позволяет глубже усвоить материал, успешно подготовиться к практическим занятиям, зачетам и экзаменам.
Для выполнения студентом сразу двух видов работы, то есть осмысленного прослушивания лекционного материала и его правильной записи нужно сосредоточиться на содержании излагаемого материала и овладеть навыком быстрого письма. Процесс конспектирования лекции можно ускорить с помощью некоторых приемов.
Во-первых, слушая лекцию, нужно из всего получаемого материала выбирать и записывать самое главное. Следует знать, что главные положения лекции преподаватель обычно выделяет интонацией или повторяет несколько раз. Именно поэтому предварительная подготовка к лекции позволит студенту уловить тот момент, когда следует пе-
5
рейти к конспектированию, а когда можно просто внимательно слушать лекцию. В связи с этим нелишне перед началом сессии еще раз бегло просмотреть учебную литературу по изучаемому предмету. Это станет первичным знакомством с тем материалом, который прозвучит на лекции, а также создаст необходимый психологический настрой.
Во-вторых, чтобы правильно и быстро конспектировать лекцию важно учитывать, что способы подачи лекционного материала могут быть разными. Преподаватель может диктовать материал, рассказывать его, не давая ничего под запись, либо проводить занятие в форме диалога со студентами. Чаще всего можно наблюдать соединение двух или трех вышеназванных способов.
Так или иначе, независимо от способа прочтения лекции студенту важно найти баланс между активным слушанием и конспектированием. Практика показывает, что удачное решение этой проблемы позволяет студенту длительное время хранить в памяти сведения, полученные им на лекции.
В-третьих, эффективность конспектирования зависит от умения владеть правильной методикой записи лекции. Конечно, способы конспектирования у каждого человека индивидуальны. Однако существуют некоторые наиболее употребляемые и целесообразные способы записи лекционного материала.
1.Запись лекции можно вести в виде тезисов – коротких, простых предложений, фиксирующих только основное содержание материала. Количество и краткость тезисов может определяться как преподавателем, так и студентом. Естественно, что такая запись лекции требует впоследствии обращения к дополнительной литературе.
2.Кроме тезисов важно записывать примеры, доказательства, даты и цифры, имена. Значительно облегчают понимание лекции те схемы и графики, которые вычерчивает на доске преподаватель. По мере возможности студенты должны переносить их в тетрадь рядом с тем текстом, к которому эти схемы и графики относятся. Следует помнить, что яркий запоминающийся пример является добавочным элементом к основному материалу лекции и не может его полностью заменить.
3.Конспект лекции целесообразно дополнить собственными мыслями, суждениями, вопросами, возникающими в ходе прослушивания содержания лекции. Те вопросы, которые возникают у студента при конспектировании лекции, не всегда следует задавать сразу при их возникновении, чтобы не нарушить ход рассуждений преподавателя. Студент может попытаться ответить на них сам в процессе подготовки к практическим занятиям либо обсудить их с преподавателем на консультации.
4.При составлении конспектов важно выработать индивидуальную систему записи материала, научиться рационально сокращать слова и отдельные словосочетания.
Качественно записанные лекции оказывают существенную помощь в овладении материалом, однако студентам для получения всесторонних и глубоких знаний обязательно требуется изучить рекомендованную учебную и научную литературу по предмету.
В целом, состояние конспекта лекции позволяет преподавателю оценить уровень информированности студента. Важно помнить, что преподаватель может проверить, как записана лекция, а также требовать использовать ее при подготовке к практическим занятиям, зачету и экзамену. Таким образом, правильно составленный конспект лекции это демонстрация компетентности и интеллектуальной зрелости студента.
По дисциплине «Специальные вопросы проектирования и расчета деревянных конструкций» тематический план лекций представлен ниже.
6
Исходя из выделенного объема лекционных часов и часов лабораторных занятий в учеб- но-методическом пособии изложены для студентов основные особенности изучения курса и ре-
комендации по освоению следующих разделов курса:
Таблица 1
№ |
Наименование раздела учебной |
Содержание раздела |
п/п |
дисциплины (модуля) |
учебной дисциплины (модуля) |
1 |
2 |
3 |
1 |
Особенности строения древесины |
Трубчато-волокнисто-слоистое строение, микро |
|
хвойных пород и их влияние на ме- |
и макро дефекты, влага в древесине, описание |
|
ханические характеристики |
других особенностей древесины, влияющих на |
|
|
расчетные характеристики. |
2 |
Прямые и обратные задачи при кон- |
Методы подбора сечений и проверки сущест- |
|
струировании деревянных элемен- |
вующих конструкций по первой и второй группе |
|
тов и соединений методом предель- |
предельных состояний. Эмпирические коэффи- |
|
ных состояний |
циенты, учитывающие особенности упруго- |
|
|
вязко-пластичной работы древесины. |
3 |
Способы повышения несущей спо- |
Расчет и конструирование элементов деревян- |
|
собности элементов конструкций из |
ных конструкций на примерах. Приемы и спо- |
|
древесины при их расчете и конст- |
собы увеличения несущей способности за счет |
|
руировании |
использования эффективных связей и сортности |
4 |
Понятие устойчивости плоской |
Понятие расчетной длины балки, на которой она |
|
формы изгиба и обеспечение тако- |
может потерять устойчивость. То же, в сжато- |
|
вой в большепролетных балочных |
изгибаемых элементах. Поиск оптимальных ре- |
|
конструкциях и распорных систе- |
шений ребристых сводов на практических при- |
|
мах. Проектирование ребристых |
мерах. |
|
сводов. |
|
5 |
Особенности расчета и конструиро- |
Особенности конструирования и расчета стро- |
|
вания стропильных систем из пило- |
пильных и ограждающих конструкций и заво- |
|
материалов в современном строи- |
дские технологии изготовления стропильных |
|
тельстве |
конструкций на МЗП |
Тема 1. Особенности строения древесины хвойных пород и их влияние на механические характеристики
При освоении данной темы студенту следует овладеть основными понятиями о строении и свойствах древесины как строительного конструкционного материала. Понять, что такое труб- чато-волокнисто-слоистое строение, какие свойства приносит оно в древесину и как влияет на ее работу под нагрузками. Какие микро- и макродефекты имеются в древесине хвойных пород и как они влияют на прочностные и деформативные свойства древесины, какая влага в древесине имеет место и как ее количество влияет на физические и механические свойства древесины. Важно приобрести знания о наличии у древесины реологических свойств и их влиянии на свойства материала (а, значит, и конструкций). Понять наличие и сущность целого ряда факторов, влияющих на свойства древесины в конструкциях – значит понять многие требования Строительных правил, касающихся проектирования и эксплуатации деревянных конструкций, а , значит, и смысл многих коэффициентов, использующихся в нормативных документах.
Глубокое знание строения и свойств древесины – залог понимания образования ее расчетных и нормативных сопротивлений, принятых в Нормах и Строительных правилах[1 и 2].
7
Тема 2. Прямые и обратные задачи при конструировании деревянных элементов и соединений методом предельных состояний
Методы подбора сечений и проверки существующих конструкций по первой и второй группе предельных состояний. Эмпирические коэффициенты, учитывающие особенности упру- го-вязко-пластичной работы древесины, и коэффициенты условий работы элемента в реальных условиях назначаются по правилам, обозначенным в [СП 64… ].
При освоении данной темы студенту важно понять, что в основу расчетов стальных конструкций по предельным состояниям положен принцип обеспечения заданных условий эксплуатации. Метод расчета по предельным состояниям (МПС) введен в Советском Союзе с 01.01.1955 г. и постоянно совершенствуется.
При изучении данной темы студенту полезно ознакомиться с историей вопроса, так как до 01.01.1955 г. в нашей стране и за рубежом действовал метод допускаемых напряжений (МДН) с 1826 г. Кроме того, при изучении дисциплины «Сопротивление материалов» еще часто используют терминологию метода допускаемых напряжений.
Для лучшего освоения МПС студенту рекомендуется ознакомиться с ГОСТ 54257-2010, который с 11.12.2014 г. переформатирован в ГОСТ 27751 – ( действовал с 1988 г.) , а сейчас называется как ГОСТ 27751-2014. В новом ГОСТ 27751 обозначены все основные нормативы для расчетов по предельным состояниям. При этом одними из нормативных положений обозначены
нормативные и расчетные нагрузки и воздействия, подробно изложенные в [4].
Таким образом, основные вопросы, которые студент должен освоить по основным положениям расчета строительных конструкций по предельным состояниям, следующие:
1)история развития деревянных конструкций [см. 4];
2)классификация всех нагрузок по видам [4]: постоянные нагрузки, временные; технологические, атмосферные, монтажные, аварийные;
3)классификация воздействий на здания и сооружения: температурные, сейсмические, взрывные;
4)классификация нагрузок и воздействий по скорости приложения: статические и ди-
намические;
5)по продолжительности действия нагрузок и воздействий на конструкции: постоянные, временные длительные, временные кратковременные, временные особые;
6)по численному значению нагрузок в расчетах по первому и второму предельным
состояниям;
7)ознакомиться и различать основанные термины предельных состояний: несущая способность, нормальная эксплуатация, долговечность, ситуации (установившаяся, переходная, аварийная); надежность, особое предельное состояние.
Кроме того, студент, создавая из фактических конструктивных схем каркаса здания расчетные схемы, должен обеспечить в последних условия работы, близкие к действительным.
Тема 3. Способы повышения несущей способности элементов конструкций из древесины при их расчете и конструировании
В этой части курса студент должен освоить знания и умения разрабатывать способы усиления тех частей элемента, которые не проходят проверку на прочность или устойчивость. Применение древесины повышенного сорта или другой породы с целью повышения прочности элементов, использование материалов на основе древесины, слоистых материалов. Армирование деревянных конструкций с целью повышения их прочности и жесткости.
8
Тема 4. Понятие устойчивости плоской формы изгиба и обеспечение таковой в большепролетных балочных конструкциях и распорных системах. Проектирование ребристых сводов.
При проектировании большепролетных конструкций, испытывающих одновременное воздействия сжатия и изгиба, например арочные конструкции, требуется на основе стандартных расчетов уметь правильно и грамотно использовать пространственное подкрепление их сжатой и растянутой кромок. Для этого необходимо досконально понимать, что такое расчетная длина сжатой кромки и что происходит при слишком редкой расстановке поперечных связей между арками.
Тема 5. Особенности расчета и конструирования стропильных систем из пиломатериалов в современном строительстве
Особое место в строительных конструкциях занимают конструкции из тонких пиломатериалов – досок. Обладая такими преимуществами, как относительная простота качественной сушки, легкость и хорошая транспортабельность, они существенно уступают массивным конструкциям в смысле сопротивления возгораемости, то есть огнестойкости.
Студентам важно знать области применения конструкций из досок, например в качестве стропильных систем, потому что с точки зрения экономичности и технологичности такие конструкции как конструкции на металлических зубчатых пластинах (МЗП) намного опережают конструкции построечного изготовления.
В этом разделе рассказывается о технологической последовательности проектирования, расчета и сборки конструкций на МЗП. Интересен как мировой, так и отечественный метод производства и применения конструкций из досок на МЗП.
Темы занятий в 7м и 8м семестрах:
7ой семестр - 17 часов лекций + 34 часа лабораторных занятий; 8ой семестр - 8 часов лекций + 16 часов практических занятий
7ой семестр. Лекционные занятия.
1.Введение. Реология и сопротивление древесины механическим нагрузкам. Виды сопротивлений.
2.Особенности расчета ДК по предельным состояниям. Отражение в нормах.
3.Особенности проектирования растянутых элементов ДК ( в том числе ослабления, минимальные размеры сечения, сортность, передача усилий).
4.Предельные состояния центрально-сжатого элемента постоянного сечения. Порядок проверки или подбора сечения. Проверка устойчивости. Конструктивные особенности.
5.Предельные состояния изгибаемого элемента. Расчет при плоском изгибе элементов цельного и составного сечений. Учет податливости связей.
6.Суть и смысл коэффициента устойчивости плоской формы изгиба. Расчет на устойчивость балок постоянного сечения. Оптимизация расстановки вертикальных связей в балочных покрытиях.
7.Особенности расчета балок по второй группе предельных состояний. Учет сдвигов вдоль волокон древесины от касательных напряжений при изгибе балок при определении их погиба. Нормативный подход.
8.Проектирование и расчет растянуто-изогнутых элементов. Примеры таких элементов. Виды напряжений при работе.
9
9.Учет дополнительных напряжений от продольной силы в результате изгиба стержня поперечной нагрузкой в сжато-изгибаемых элементах.
10.Промежуточное подкрепление сжатой или растянутой кромок сжато-изогнутого элемента. Учет наличия таких подкреплений при расчете нормами проектирования.
11.Наиболее характерные случаи определения момента МД при различных формах расчетной эпюры изгибающих моментов.
12.Особенности определения МД в криволинейных элементах и в элементах с сосредоточенными изгибающими моментами по концам .
13.Отличия клееных деревянных конструкций от конструкций цельного сечения. Особенности расчета балок и стоек переменного сечения. Учет переменности сечения проектируемых элементов нормами проектирования ДК.
14.Последовательность определения допустимой нагрузки на балки покрытия из условия их прочности и жесткости.
15.Порядок и особенности расчета составных стержней и балок на податливых связях. Виды податливых связей для балок и учет их в расчете по нормам.
16.Расчет и проектирование сжато-изгибаемых стержней составного сечения на податливых связях.
17.Элементы стропильных систем на МЗП. Конструктивные решения. Проектирование элементов и узлов на МЗП. Стропильные системы из досок.
Всего 17 часов лекционных занятий
7ой семестр. Темы лабораторных занятий
1. Сравнительный анализ учета свойств древесины нормами и СП – 2 ч.
2.Практический расчет деревянных элементов на центральное сжатие – 2 ч.
3.Практический расчет деревянных элементов на центральное растяжение – 2 ч.
4.Анализ условий потери устойчивости сжатым стержнем и вывод формулы коэффициента продольного изгиба в упругой стадии работы – 2 ч.
5.Практический расчет деревянных элементов на косой изгиб – 2 ч.
6.Практический расчет соединений на врубках в деревянных элементах. Врубка одним зубом – 2 ч .
7.Практический расчет соединений на врубках в деревянных элементах. Врубка одним зубом – 2 ч.
8.Проектирование и практический расчет деревянного элемента нижнего пояса фермы в чердачном перекрытии – 2 ч.
9.Разработка модели элемента, работающего на сжатие с изгибом. Визуальное отражение потери устойчивости плоской формы изгиба – 2 ч.
10.Конструирование и практический расчет балки составного сечения на пластинчатых нагелях – 2 ч.
11.Практическое разложение эпюры М на Мк и Мс в сжато-изгибаемом элементе с двумя поперечными силами – 2 ч.
12.Тренинг разложения несимметричной эпюры М в полуарках на Мк и Мс.
13.Анализ учета особых качеств клееной древесины нормами и особенностей формы и переменности сечений элементов из клееной древесины – 2 ч.
14.Конструирование и расчет балки клееной деревянной балки покрытия – 2 ч.
15.Конструирование и расчет балки клееной деревянной балки покрытия – 2 ч.
16.Практический расчет узлового соединения на цилиндрических нагелях (болтового соединения) – 2 ч.
17.Практический расчет узлового соединения на МЗП – 2 ч.
Всего 34 часа.