9523

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ КАРКАСА ДЕРЕВЯННОГО ЗДАНИЯ

Расчет и проектирование каркаса однопролетного деревянного здания

стоечно – ригельного типа рекомендуется осуществлять в следующей последо-

вательности:

1.Расчет и конструирование плит покрытия.

2.Расчет и конструирование ригеля поперечной рамы.

3.Статический расчет рамы каркаса и конструирование стоек колонн.

4.Проектирование пространственных связей.

5.Разработка мероприятий по обеспечению долговечности конструкций.

Расчет любой конструкции включает в себя следующие этапы:

1.Выбор расчетной схемы и геометрический расчет.

2.Сбор нагрузок.

3.Статический расчет.

4.Подбор (компоновка) и проверка сечения конструкции в целом или ее элементов.

5.Конструирование и расчет соединений и узлов.

2.1.Сбор нагрузок

Нагрузки, действующие на конструктивные элементы проектируемого здания согласно СП 20.13330-2016. Актуализированная редакция СНиП

2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия» [12] подразделяются на постоянные и временные (длительные и кратковременные). Какие воздействия и нагрузки следует относить к постоянным, длительным или кратковременным дают пояс-

нения п.п. 5.4 – 5.5 раздела 5 вышеназванной главы норм. При проектировании покрытий чаще всего в качестве основной и единственной постоянной нагрузки выступает собственный вес конструкций покрытия, нормативное значение ко-

торого определяют как произведение объема рассматриваемого элемента на плотность материала, из которого он состоит, отнесенное к 1 м2 поверхности ограждения.

Для облегчения работы по определению суммарных нагрузок в сочетани-

ях окончательные значения постоянных нагрузок следует приводить к горизон-

30

тальной проекции покрытия. Например, если покрытие сводчатое, то горизон-

тально распределенная по площади нагрузка от его собственного веса

gН = gнкр ∙ LS,

где:

gнкр– вес 1 м2 ограждающей части покрытия плит и кровли;

S– длина дуги сводчатого покрытия;

L– пролет несущей конструкции поперечной рамы.

Если покрытие плоское, но наклонное, то

gн gН = cosкрα,

где:

α– угол наклона покрытия к горизонту.

Нагрузка от собственного веса ригеля рамы или всей рамы в целом вычисля-

ется по приблизительной эмпиричной формуле:

Ксв∙L

где:

gН и SН– постоянная и временная нормативные нагрузки; неравномерно распределенная временная нагрузка заменяется эквивалентной равномерно распределенной так, чтобы общая площадь эпюры не менялась;

Ксв– коэффициент собственного веса конструкции, принимаемый по табл. 1.3. и 1.4 настоящих указаний.

Расчетные значения постоянных нагрузок получают умножением норма-

тивного веса конструкций и элементов на коэффициент надежности по нагрузке

ɣf, значения которого приведены в табл. 7.1 и 7.2 [12]. Например, для деревян-

ных конструкций ɣf = 1,1.

Полное нормативное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия S0 определяется из выражения:

S0 = св× сt×µ×Sg

31

где:

Sg – нормативное значение веса снегового покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности земли, принимаемое в соответствии с таблицей 1.5;

μ – коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие, принимаемый в соответствии с п. 10.4 приложения Б

[12].

Расчетные значения снеговой нагрузки получают умножением норматив-

ной величины на коэффициент надежности по нагрузке ɣf, равный 1,4 согласно п. 10.12 [12].

Таблица 1.5

Пониженное нормативное значение снеговой нагрузки для вычисления прогибов конструкций покрытия определяется умножением ее нормативного значения на коэффициент 0,5.

Ветровую нагрузку следует рассматривать как совокупность:

1.нормативного давления We, приложенного к внешней поверхности сооружения или элемента;

2.сил трения Wf, направленных по касательной к внешней поверхно-

сти и отнесенных к площади ее горизонтальной проекции для шедовых или волнистых покрытий, покрытий с фонарями или вертикальной проекции для стен с лоджиями и подобных конструкций;

3.нормативного давления Wi, приложенного к внутренним поверхно-

стям зданий с проницаемыми ограждениями, с открывающимся или постоянно открытыми окнами.

32

В соответствии с п. 11.1.3 [12] нормативное значение ветровой нагрузки на рассматриваемые в настоящих указаниях здания определяется величиной средней составляющей основной ветровой нагрузки Wm на высоте Zв над по-

верхностью земли, вычисляемой по формуле:

Wm = Wo×k(zв)×с,

где:

Wo – нормативное значение ветрового давления (см. п. 11.1.4 [12]);

K(zв) – коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления на высоте ( п.п.11.1.5 и 11.1.6 [12];

с – аэродинамический коэффициент по п. 11.1.7 [12].

Коэффициент k, учитывающий изменение ветрового давления по высоте zв, определяется по табл. 11/2 [12] в зависимости от типа местности, который должен быть указан в задании.

Типы местности:

А - открытые побережья морей, озер и водохранилищ, сельские местности, в том числе с постройками высотой менее 10 м, пустыни, степи, лесостепи, тундра; В - городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно по-

крытые препятствиями высотой более 10 м; С - городские районы с плотной застройкой зданиями высотой более 25 м.

Расчетное значение ветровой нагрузки определяется как произведение нормативной величины на коэффициент надежности по ветровой нагрузке

ɣf = 1,4 .

Определенные таким образом величины нагрузок от веса конструкций,

снега и ветра являются поверхностными (распределенными по поверхности) и

выражаются в Па, кПа или кгс/м2.

Погонные или линейные нагрузки определяют умножением соответст-

вующих значений распределенных по площади нагрузок на шаг или ширину конструкции. Сбор нагрузок удобно вести в табличной форме.

33

Расчетную узловую нагрузку для сквозных конструкций ригеля опреде-

ляют умножением погонной нагрузки на сумму длин горизонтальных проек-

ций, прилегающих к узлу панелей верхнего пояса.

При расчете на сочетания, включающие постоянные и не менее двух вре-

менных нагрузок, расчетные значения временных нагрузок следует умножать на коэффициенты сочетаний кратковременных нагрузок, равные:

–для основной кратковременной нагрузки ψ1 = 1,0;

–для второй по важности кратковременной нагрузки ψ2 = 0,9.

При расчете на основные сочетания, включающие постоянные нагрузки и одну временную, коэффициенты ψ1 и ψ2 вводить не требуется.

2.2. Расчет плиты покрытия

Расчет и конструирование плит покрытия выполняется в соответствии с указаниями п.п. 7.25 -7.29 [6].

В качестве методической литературы для расчета и конструирования плит покрытия рекомендуются следующие источники:

–плита с асбестоцементными обшивками [13];

–плита с фанерными обшивками отапливаемого здания [14, 15];

–плита с фанерными обшивками неотапливаемого здания [14];

–покрытие из волнистых светопрозрачных листов полиэфирного стекло-

пластика [16].

Порядок расчета покрытия, включающего прогоны, настил и кровлю при-

водится в методических указаниях [17], волнистые асбоцементные листы и сборные кровельные щиты - в методических указания [18].

Пользуясь указанной выше литературой необходимо помнить о том, что с

2017 года вступил в силу СП 20.13330-2016 «Нагрузки и воздействия», кото-

рый не мог быть учтен в ранее опубликованных примерах расчета.

34

2.3. Порядок расчета поперечной рамы

2.3.1. Предварительный подбор сечения колонны

После расчета, конструирования и определения собственного веса ограж-

дающей части покрытия необходимо переходить к расчету нижерасположен-

ных конструкций, т.е. ригеля поперечной рамы здания, однако этому препятст-

вует незнание сечения колонн, а значит и расчетного пролета ригеля. Поэтому сначала приходится произвести предварительный подбор сечения колонн.

В первом приближении целесообразно размеры поперечного сечения ко-

лонны назначить из условия достижения ею предельной гибкости пр = 120

(табл. 16 [6]), как в плоскости, так и из плоскости рамы. Таким образом, пред-

варительные размеры сечения колонны следует принимать из выражения:

Здесь μo и μo’ – коэффициент, учитывающий условия закрепления концов стержня, определяемый по п.7.23 [6];

l1– свободная длина колонны в плоскости рамы: l2– свободная длина колонны из плоскости рамы; hk и bk– высота и ширина сечения колонны.

2.3.2. Расчет ригеля

Если конструкция ригеля не определена заданием, ее можно выбрать из решений, предлагаемых в табл. 1.3 настоящих указаний.

Примеры расчета ригелей различной конструкции подробно освещен в следующих изданиях: клеефанерная балка – пример 3 [5]; трапециевидная ме-

таллодеревянная ферма– [13]; сегментная металлодеревянная ферма – [15 и 17];

треугольная металлодеревянная ферма – [19]; клееная двускатная балка с гори-

зонтальной или приподнятой нижней гранью – [20].

35

Расчетным пролетом для ригеля является расстояние между центральны-

ми осями колонн принятого ранее сечения.

В ходе расчета необходимо подобрать сечение всех элементов ригеля по усилиям, полученным из статического расчета, выполнить необходимые про-

верки прочности и жесткости. Количество и виды рассчитываемых узлов сквозного ригеля определяется руководителем проекта.

2.3.3. Расчет колонны

Следующим конструктивным элементом рамы, подлежащим расчету, яв-

ляется колонна.

В зависимости от схемы нагружения, колонна рассчитывается на цен-

тральное сжатие с изгибом.

Для проверки принятого ранее см. п.2.3.1 сечения необходимо произвести сбор нагрузок, действующих на колонну, и рассчитать ее на прочность и устой-

чивость.

По характеру приложения к колонне нагрузки можно разделить на гори-

зонтальные и вертикальные.

Горизонтальные нагрузки: ветровая; нагрузки от назначаемых при стати-

ческом расчете «неизвестных».

Ветровая нагрузка, действующая на колонну, складывается из равномер-

но-распределенной с интенсивностью q = Wo∙k∙c (см. раздел 2.1), приложенной на участке от отметки верха столбчатого фундамента + 0,200 до отметки низа несущей конструкции покрытия и условной сосредоточенной силы, заменяю-

щей собой давление ветра на площадь стены высотой, равной высоте опорного сечения ригеля hоп и длиной, равной шагу колонн В. Величина этой силы, при-

Средняя составляющая ветровой нагрузки подсчитывается отдельно для каждой из стоек рамы (левой и правой).

36

При опирании на стойки гнутоклееных балок, кроме того, необходимо учесть распор от ригеля Hp, который определяется по формуле:

где:

К = ∙ ; 2∙ ∙

f –подъем нижней грани балки; q – распределенная нагрузка;

– момент инерции поперечного сечения стойки;

– расчетный пролет ригеля;

– момент инерции поперечного сечения ригеля (балки);

– высота стойки.

Вертикальные нагрузки: нагрузки от собственного веса конструкций, пе-

редающиеся на колонну, в том числе и самой колонны; снеговая нагрузка.

Нагрузки от собственного веса покрытия собираются с грузовой площади колонны, равной произведению шага рам на половину пролета ригеля.

Нагрузка от собственного веса включает в себя несколько составляющих:

–собственный вес ограждающих конструкций покрытий;

–собственный вес ригеля (по формуле по результатам конструирования с половины пролета);

–собственный вес стенового ограждения, учет этой составляющей на-

грузки возможен в двух вариантах: если стена самонесущая, допускается счи-

тать нагрузку от веса стены, передающейся непосредственно на фундамент, и в расчете колонны ее не учитывать; если стеновые панели навесные, то необхо-

димо учитывать не только вес стены, но и момент, возникающий от внецен-

тренного приложения этого вида нагрузки. Поскольку в курсовом проекте па-

нели стен не рассчитываются, для всех вариантов их следует принимать навес-

ными толщиной 160 мм с весом панелей 0,6 кПа.

– собственный вес деревянной колонны, вычисляемый из выражения,

37

= ∙ ∙ ∙ ∙ 10,

где:

, – размеры предварительно определенного поперечного сечения ко-

лонны;

– высота колонны, которая определяется как разность отметок низа ри-

геля по заданию и верха столбчатого фундамента – + 0.200

= H – 200 (мм);

– плотность древесины, принимаемая по приложению 3 [6] в зависимо-

сти от породы древесины и температурно-влажностных условий эксплуатации конструкций.

Нормативная величина снеговой нагрузки на колонну собирается с площади крыши шириной, равной шагу колонны В, и длиной, равной половине

пролета рамы L/2:

Эта формула справедлива при загружении конструкции равномерно рас-

пределенной снеговой нагрузкой по всему пролету.

При ригелях с криволинейным очертанием верхнего пояса (например, в

сегментной ферме) необходимо учесть действие снеговой нагрузки с эпюрой интенсивности треугольного очертания. В этом случае нагрузка на колонну от снега будет равна реакции, определенной как для однопролетной шарнирно – опертой балки с пролетом, равным пролету фермы, и загруженной треугольной нагрузкой на ½ пролета. Это значение вычисляется при статическом расчете ригеля.

При расчете колонны значение временной нагрузки от снега принимается наибольшим из всех возможных вариантов загружения.

Для определения наибольших внутренних усилий в колоннах при их рас-

чете следует учитывать как горизонтальные, так и вертикальные нагрузки и,

значит, учитывать работу рамы в целом.

38

Для наиболее распространенного решения поперечной рамы деревянного здания (двухшарнирной рамы с жестким защемлением стоек в фундаментах и шарнирным опиранием ригелей) целесообразно использовать метод сил, пото-

му что при этом расчете меньше неизвестных.

Расчет имеет следующую последовательность:

–рама по методу сил имеет одно неизвестное, в качестве которого удобно принять усилие в шарнирно-опертом ригеле (табл. 1.1);

–продольное усилие в ригеле в этом случае будет возникать от следую-

щих нагрузок;

– от ветровой:

X = Xw + Xq

где:

Xw = 0,5(W1 – W2); Xq = 163 H(q1 – q2).

Здесь:

W1, q1– ветровая нагрузка на левую стойку (напор);

W2, q2–ветровая нагрузка на правую стойку (отсос);

– от собственного веса стенового ограждения, приложенного с эксцен-

триситетом «е»:

3 1

XG = 2(Hcm – 3hp)gcm×Be/ hp;

Здесь:

Hcm = H + hтб + hоб,

е = ′ + – эксцентриситет приложения нагрузки от веса стен;

2

Н – высота до низа несущей конструкции;

(hтб + hоб) – высота торца несущей конструкции и обвязочного бруса над колонной;

– для расчета колонны на прочность определяется продольная сила и мо-

мент от действия постоянной, снеговой и ветровой расчетных нагрузок, такая

комбинация нагрузок относится к основному сочетанию, поэтому xfcnm крат-

39