Курсовой проект
Покрытие по многоугольным металлодеревянным фермам
С верхним поясом из брусьев
Методические указания по выполнению курсового
и дипломного проектов
по дисциплине "Конструкции из дерева и пластмасс"
для студентов направления 270100 – "Строительство"
специальности 270102 – "Промышленное и гражданское строительство"
Нижний Новгород 2014г.
СОДЕРЖАНИЕ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.. 3
1.1. Область применения. 3
1.2. Основные положения расчета. 5
1.3. Сборка фермы. 10
2. ПРИМЕР РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ.. 14
2.1. Исходные данные. 14
2.2. Выбор конструктивного решения. 15
2.3. Расчет плиты покрытия. 16
2.3.1. Конструкция плиты.. 16
2.3.2. Исходные данные для расчета и проектирования. 18
2.3.3. Приведенные геометрические параметры плиты.. 19
2.3.4. Подсчет нагрузок на плиту. 21
2.3.5. Расчетные усилия в плите. 25
2.3.6. Проверка плиты на прочность. 25
2.3.7. Проверка верхней обшивки на местный изгиб между продольными ребрами от сосредоточенной силы: 26
2.3.8. Проверка прочности клеевого шва между верхней обшивкой и продольными ребрами на скалывание (по п.4.27 [1]). 26
2.3.9. Расчет плиты на жесткость (прогиб) 27
2.4. Расчёт фермы.. 28
2.4.1. Геометрические параметры.. 28
2.4.2. Подсчет нагрузок на ферму. 34
2.4.3 Статический расчет фермы.. 42
2.4.4. Конструктивный расчёт. 46
Литература. 75
Приложение 1. 76
Приложение 2. 79
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Область применения
Многоугольная металлодеревянная ферма с верхним поясом из брусьев относится к индустриальным конструкциям заводского изготовления и предназначается для применения в покрытиях однопролётных промышленных, общественных и сельскохозяйственных зданий с наружным отводом воды при пролётах 12-30м. Применение фонарей и подвесного оборудования в покрытиях по многоугольным фермам не рекомендуется.
Имея преимущество сегментных ферм в смысле очертания верхнего пояса, они невыгодно отличаются от них большим числом сборочных элементов и узлов, что сильно увеличивает трудоёмкость их изготовления. В зависимости от величины перекрываемых пролётов и нагрузок многоугольные фермы решают с различным количеством стоек в решётке (см. рис 1.1)
Верхний пояс многоугольной фермы представляет собой многоугольник, вписанный в окружность или описанный около неё.
Нижний пояс делают, как правило, металлический из профильной стали. Решётка выполняется из цельного соснового бруса со стоечно-раскосной схемой. Длина панели верхнего пояса значительно меньше, чем в клееных сегментных фермах, так как несущая способность бруса ограничена его размерами по сортаменту. Решение узлов в многоугольных фермах во многом аналогично решению узлов в сегментных фермах. Раскосы и стойки решетки имеют по концам парные металлические планки-наконечники из полосовой стали, прикрепленные болтами к деревянному элементу, за исключением верхнего наконечника стойки, который делается из уголка. Опорный узел может быть решён так же, как в сегментных фермах.
Рис. 1.1. Многоугольные брусчатые фермы с металлическим нижним поясом
Основные положения расчета
Нормальные усилия в элементах многоугольных ферм вычисляются обычным образом, например, построением диаграммы Максвелла-Кремоны от расчетных узловых нагрузок. Если ферма симметрична, то достаточно построить одну диаграмму Максвелла-Кремоны от расчётной нагрузки на половине пролёта и затем путём комбинирования усилий получить их расчётные значения для каждого элемента фермы.
Для уменьшения расчётных изгибающих моментов от межузловой нагрузки в верхнем поясе искусственно создаётся изгибающий момент обратного знака, для чего в промежуточных узлах верхнего пояса фермы применяют внецентренное стыкование бруса, осуществляется упор только нижних частей поперечного сечения бруса. Тот же приём применяется и в опорных узлах.
Размеры поперечного сечения верхнего пояса фермы определяют из расчета опорной панели (как наиболее нагруженной временной снеговой нагрузкой) и панели, наименее наклонной к горизонту (так как составляющая постоянной и временной снеговой нагрузки, перпендикулярная к скату, в ней наибольшая).
В элементах верхнего пояса фермы, кроме продольных усилий, действует изгибающий момент от внеузловой нагрузки. Для уменьшения его продольные усилия прикладывают с эксцентриситетами е, величину которых назначают из условия равенства напряжений или моментов (по абсолютной величине) в середине панелей и на их концах.
Для панелей, рассматриваемых как однопролетные шарнирно-опертые балки, величина эксцентриситета определяется по формуле (1.1). Для панелей, представляющих неразрезные двухпролетные балки (рис. 1.2 а)- приравняв моменты в пролете и по концам.
Рис. 1.2. К расчету верхнего пояса многоугольной фермы
а – средняя опора не имеет просадки; в – средняя опора имеет просадку и момент на опоре равен нулю; б и г – к определению моментов по деформированной схеме
, эксцентриситет определяется по формуле
(1.1)
— коэффициент, учитывающий дополнительный момент от продольной силы вследствие прогиба элемента, который предварительно принимается равным 0,7 - 0,85.
Расчет панелей верхнего пояса на прочность производят по формуле (1.2)
(1.2)
где 
- расчетная сжимающая сила, действующая в рассчитываемом элементе;
- коэффициент условий эксплуатации, принимаемый по табл.5 [1];
- коэффициент, равный 0,8, если напряжения в элементе, возникающие от постоянных и временных длительных нагрузок, превышают 80% суммарного напряжения от всех нагрузок;
- коэффициент масштабности сечения, принимаемый по табл.7 [1];
- коэффициент, учитывающий толщину слоев клееного элемента и принимаемый по табл.8 [1];
- коэффициент для гнутых клееных элементов, принимаемый по табл.9 [1];
- деформационный изгибающий момент от действия поперечных и продольных нагрузок, определяемый по деформированной схеме (см. п.4.17 прим.1 [1]);
- расчетная площадь поперечного сечения элемента, принимаемая для нашего случая, когда в расчетном сечении элемента нет ослаблений (см. п.4.2 [1]), равной 
;
- расчетный момент сопротивления поперечного сечения, равный для нашего случая (см. п.4.9 [1]) 
.
При проверке напряжений в опорной панели фермы, рассматривая ее как однопролетную балку, изгибающий момент 
определяем по формуле:
;
где 
- коэффициент, учитывающий дополнительный момент от продольной силы, вследствие прогиба элементов.
Верхний пояс в многоугольных фермах выполняется из брусьев, длина которых вдвое превышает длину панели. Таким образом, брус верхнего пояса представляет собой двухпролетную неразрезную балку со средней опорой на стойке решетки. Если нагрузка приложена не только в узлах, но и между ними (обычный случай), то на средней опоре возникает изгибающий момент, значение которого зависит от просадки опоры, т.е. от просадки бруса верхнего пояса на стойке. Величина этой просадки в общем случае неизвестна – она зависит от точности сбора фермы, качества древесины и пр. Поэтому в расчете рассматривается два крайних случая:
— средняя опора не имеет просадки, и брус верхнего пояса представляет двухпролетную неразрезную балку, рис. 1.2 а;
— средняя опора имеет такую просадку, когда изгибающий момент на средней опоре равен нулю, и брус верхнего пояса представляет разрезную балку с пролетом, равным длине панели, рис. 1.2 в.
В первом случае в двухпролетной неразрезной балке момент на средней опоре при действии равномерно распределенной нагрузки равен
(1.3)
Момент в этом же сечении от внецентренного приложения сжимающей силы
(1.4)
так как эпюра моментов проходит через фокусную точку, находящуюся на расстоянии 1/3 от средней опоры.
Наибольший момент в пролете, на расстоянии 
от опоры А при действии равномерно распределенной нагрузки равен
(1.5)
Момент в этом же сечении от внецентренного приложения сжимающей силы
(1.6)
Для определения опорного и пролетного моментов от поперечной нагрузки и продольной силы по деформированной схеме рассмотрим один пролет балки, представив его в виде схемы, изображенной на рис. 1.2 б. Разнозначную эпюру моментов 
(рис. 1.2 г) разложим на две — кососимметричную и симметричную. При кососимметричной эпюре изгибающие моменты определяются по формулам:
— на опоре С 
(1.7)
— в пролёте на расстоянии от опоры А
(1.8)
При симметричной эпюре моментов на опоре и в пролёте моменты равны:
(1.9)
Момент от действия симметричной нагрузки и продольной силы по деформированной схеме определяется согласно п. 4.17 [4] с учётом пп. 4.11 и 4.12 [4] по формуле:
(1.10)
Во втором случае, рассматривая панель, как однопролётную балку (рис. 1.2 в), момент в середине пролёта от действия поперечной нагрузки и продольной силы по деформированной схеме определим по формуле
. (1.11)
Из рассмотренных двух крайних случаев наибольший момент от действия поперечной нагрузки и продольной силы по деформированной схеме принимают при проверке напряжений в панели верхнего пояса.
Раскосы и стойки решётки имеют по концам металлические пластинки-наконечники, прикреплённые болтами к деревянному элементу и выполненные из элементов полосовой стали, за исключением верхнего наконечника стойки, который делается из уголка.
Применение здесь уголка необходимо, потому что в отличие от средней пластинки раскоса, которая зажата между пластинками раскосов (что обеспечивает её дополнительную устойчивость из плоскости), в стойке узловая пластинка-наконечник свободна в отношении продольного изгиба из плоскости и потому должна быть выполнена из жёсткого профиля. В целях унификации наконечники для раскосов и низа стоек имеют одну и ту же длину и одинаковую разбивку отверстий для болтов. Наконечники-уголки для верхних стоек также все одинаковы.
В узле верхнего пояса, там, где находится его стык, устанавливаются металлические вкладыши. В их центре проходит узловой болт, на который при сборке одевается наконечник раскоса. В отличие от вкладыша сегментных ферм узловой вкладыш многоугольной фермы имеет клиновидную форму в соответствии с углом перелома верхнего пояса в месте узла. Присоединение стоек к верхнему поясу производится также с помощью пластинок, но так как верхний пояс в этом месте не имеет стыка, то узловые пластинки одевают на болт, вставленный в проушины пластинки, которая передаёт усилия от стойки на верхний пояс.
Пластинка заранее скрепляется с брусом верхнего пояса расчётным количеством гвоздей или болтов. Стыки верхнего пояса перекрываются жесткими деревянными накладками на болтах.
Конструкция узлов нижнего пояса несколько отличается от таковой в сегментных фермах. Учитывая, что длина элементов решётки раскосов здесь значительно больше и расчётные усилия в них меньше, возможно допустить внецентренное (с небольшим эксцентриситетом) прикрепление их в узлах к нижнему поясу, что упрощает решение узла. Стык нижнего пояса выполняется в любом удобном месте. Он рассчитывается на растяжение по площади нетто с учётом ослабления.
Сборка фермы.
Многоугольная ферма состоит из следующих заранее изготовленных элементом сборочных марок:
1) Нижний пояс в зависимости от числа стыков состоит из двух или трех марок: крайняя часть нижнего пояса с приваренными деталями опорного узла (2шт.) и средняя часть нижнего пояса (2 или 1шт.) (рис.1.3а)
2) Элемент верхнего пояса, одинаковый для всех средних панелей (рис.1.3б) – 6шт. с заранее прибитыми металлическими планками для стоек
3) Элемент верхнего пояса для крайних (опорных) панелей 2шт. (рис.1.3в)
4) Раскосы с заранее прикрепленными пластинками-наконечниками – всего 6 марок по 2шт. каждая (рис.1.3.г)
5) Стойки с заранее прикрепленными нижними планками – 3 марки по 2шт. каждая (рис.1.4.а)
6) Узловые вкладыши верхнего пояса – 7 шт. (рис.1.4.в)
7) Деревянные накладки стыков верхнего пояса – 14 шт. В половине накладок заранее просверлены отверстия для болтов (рис.1.4.б)
8) Узловые и стяжные болты, верхние планки – уголки стоек (рис.1.4)
Рис. 1.3 Сборочные марки фермы
а-крайние и средняя часть нижнего пояса; б-элемент верхнего пояса средних панелей; в-элемент верхнего пояса опорных панелей; г-раскосы с заранее прикрепленными пластинками наконечниками
Сборка фермы производится аналогично сборке клееной сегментной фермы по методу «засечек». Сборка выполняется на месте на подкладках.
Устройство бойка и вычерчивание фермы не требуется. Строительный подъем получается при сборке фермы автоматически.
Последовательность сборки в горизонтальном положении следующая:
1) Раскладывается нижний пояс по прямой линии, и свариваются стыки
2) На узлах нижнего пояса с помощью узловых болтов надевают все раскосы и стойки. При этом нужно следить за правильностью взаимного расположения планок-наконечников раскосов и стоек
3) Верхние концы раскосов (за исключением крайних) соединяют попарно друг с другом при помощи узловых вкладышей и болтов, образуя узлы верхнего пояса. Узловые вкладыши прикрепляются также к верхним концам крайних раскосов
4) Укладывают элементы верхнего пояса, упирая их торцами во вкладыши и в опорные узлы. Для того чтобы элементы верхнего пояса встали между соответствующими вкладышами, концевые части нижнего пояса следует повернуть наружу относительно средних узлов, в результате чего ферма получает необходимый строительный подъем
5) Укладывают парные стыковые накладки в узлах верхнего пояса; при этом накладки с заранее просверленными отверстиями кладут сверху и по ним, как по шаблону просверливают верхний пояс и нижние накладки. Ставят стяжные болты в опорных и промежуточных узлах
6) Закрепляют к верхнему поясу все стойки при помощи планок-уголков (рис.1.3.в, г); отверстия для болтов, прикрепляющих уголки к стойкам, сверлят по месту.
Рис. 1.4 Сборочные марки фермы
а - стойки с прикрепленными нижними планками; б - деревянные накладки стыков верхнего пояса; в - узловой вкладыш верхнего пояса