Деревянные решетчатые стойки

ДЕРЕВЯННЫЕ РЕШЕТЧАТЫЕ СТОЙКИ

 

 

2-е издание, дополненное и исправленное

 

Рекомендовано

Методическим советом ДВГУПС

в качестве учебного пособия

 

Хабаровск

Издательство ДВГУПС

2012

УДК 624.011.1 (075.8)

ББК Н 55 я73

  Т 180

 

Рецензенты:

 

Кафедра «Строительные конструкции»

Тихоокеанского государственного университета

( заведующий кафедрой кандидат технических наук,

доцент Н.Е. Медведев)

 

Главный инженер Хабаровского проектно-изыскательского института «Дальжелдорпроект» – филиала ОАО «Росжелдорпроект»

В.И. Ерошенко

 

       Танаев, В.А.

Т 180

Деревянные решетчатые стойки: учеб. пособие / В.А. Танаев. – 2-е изд., доп. и испр. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2012. – 74 с.: ил.

 

Рассмотрены типы конструкций и принципы проектирования деревянных решетчатых стоек в составе каркаса одноэтажного производственного здания. Основное внимание уделено методике компоновки каркаса, сбору нагрузки и расчету конструкций. Приведен пример проектирования деревянных конструкций поперечной рамы, включая покрытие, ферму, ступенчатую стойку.

Предназначено студентам всех форм обучения, выполняющим курсовой проект по дисциплине «Конструкции из дерева и пластмасс».

        

 

УДК 624.011.1(075.8)

ББК Н 55 я 73

 

© ДВГУПС, 2006, 2012

ВВЕДЕНИЕ

 

Среди других видов составных стоек деревянные решетчатые стойки обладают наибольшей несущей способностью и могут применяться в качестве опорных конструкций в пролётах зданий и мостовых кранов грузоподъёмностью до 10 т.

Деревянные решетчатые стойки относятся к конструкциям построечного изготовления, которые оказываются эффективными там, где древесина является местным строительным материалом.

На Дальнем Востоке во многих районах древесина является местным строительным материалом, а строительные объекты расположены в удалении от индустриальных центров, где затруднена перевозка завод­ской продукции.

Поэтому возможность построечного изготовления строительных конструкций из дерева здесь является преимуществом по сравнению с конструкциями заводского изготовления из железобетона, стали или клееной древесины. Особенно это проявляется при строительстве временных и вспомогательных производственных объектов.

Отсюда следует необходимость изучения в курсе «Конструкций из дерева и пластмасс» особенностей компоновки составных решетчатых стоек и их расчётных схем, методики проектирования.

Учебное пособие состоит из двух частей.

В части 1 рассмотрены конструкции решетчатых стоек, методика их расчёта со сбором нагрузок и определением расчётных сочетаний усилий. Подробно рассмотрены расчётные схемы ступенчатой решетчатой стойки для её надкрановой и подкрановой частей и методика подбора поперечных сечений стойки.

В части 2 рассмотрен числовой пример проектирования конструкций одноэтажного производственного здания с мостовыми кранами, включая компоновку поперечной рамы, расчёты несущих конструкций покрытия в виде настила и прогона кровли, стропильной металлодеревянной фермы с подбором сечений поясов и решётки, разработкой узлов фермы, а также расчётом деревянной решетчатой стойки поперечной рамы и элементов её крепления к фундаменту.

При расчёте стропильной фермы используется ПЭВМ.

Все расчёты выполнены с соблюдением международной системы единиц СИ.

В приложении к учебному пособию приведены чертежи со спецификациями материалов крайней стойки, а также двух вариантов промежуточной решетчатой стойки со сквозной и качающейся шатровыми ветвями, сортамент пиломатериалов и геометрические характеристики поперечных сечений круглого лесоматериала.

Изучив учебное пособие, студент имеет возможность самостоятельно освоить проектирование деревянных конструкций, пользуясь литературой, указанной в прилагаемом библиографическом списке.

ЧАСТЬ 1

  Проектирование решЕтчатых стоек

 

Постоянные нагрузки

 

1.Нагрузка от веса кровли и фермы (балки) Р _к.ф, кН.

2. Нагрузка от веса стены, передающаяся на верхнюю надкрановую часть стойки Р_{ст 1}, кН:

Р_{ст 1} = g_гсh ₁ B,

где g_гс – нагрузка от веса 1 м² глухих стеновых панелей (0,4…0,5 кПа);
h ₁ – высота пояса глухих панелей в пределах верхней части стойки, м;
В – шаг рам, м.

3. Нагрузка от веса надкрановой части стойки Р_св, кН:

Р_св = gH_в,

где g =  – вес погонного метра стойки, кН;  – удельный вес древесины, кН/м³;  – площадь сечения двух брусьев (брёвен) брутто, м² (с учётом естественного сбега, см. прил. 1); k = 1,15 – коэффициент, учитывающий вес металлических деталей;   = 1,1 – коэффициент перегрузки; H_в – высота надкрановой части стойки, м.

При сборе нагрузки задаются сечением бревна (бруса) d = 200…240 мм.

4. Нагрузка от веса стены, передающаяся на нижнюю часть стойки Р_{ст 2}, кН:

Р_{ст 2} = g_гс h ₂ B + g_ас h ₃ B,

где g_ас – нагрузка от веса остеклённых стеновых панелей (0,3…0,4 кПа); h ₂, h ₃ – высота поясов глухих и остеклённых панелей соответственно, м.

5. Нагрузка от веса нижней части колонны Р_кн, кН:

Р_кн = (2 g + ,

где  и  – площадь поперечного сечения и угол наклона раскоса к горизонту.

6. Нагрузка от веса подкрановой балки, шпал и рельса Р_б, кН:

Р_б = (g_шб + g_р) В + А_ш L_ш ,

где g_шб – погонный вес шпренгельной балки (1,3…2,5 кН/м); g_р = 0,53 кН/м – вес рельса; А_ш = 0,24 × 0,20 м², L_ш = h ₀, м – сечение и длина шпалы; 0,6 – шаг шпал, м.

 

Кратковременные нагрузки

 

1. Снеговая нагрузка, кН:

– на крайнюю стойку S = 0,5 S ₀ BL,

– на промежуточную стойку S’ = S ₀ BL, при  и   = 1,4.

2. Наибольшее давление на стойку от двух сближенных кранов в одном пролёте, кН:

,

где  – коэффициент сочетаний;  = 1,1 – коэффициент надёжности по нагрузке (рис. 6, а);  – сумма ординат линии влияния опорной реакции стойки, распо­ложенных под колёсами кранов.     

а

б

 

Рис. 6. Схемы расположения двух кранов: а – в одном пролёте; б – в двух пролётах, в створе рамы

 

3. Горизонтальное торможение тележек кранов, кН:

а) при расчёте крайней стойки от двух кранов, расположенных в одном пролёте

,

где  – торможение тележки, приходящееся на одно колесо крана, кН; – грузоподъёмность крана, т;  – масса тележки, т;

б) при расчёте промежуточной стойки от двух кранов, расположенных в соседних пролётах в створе рамы (рис. 6, б):

.

4. Ветровая нагрузка, кН:

а) сосредоточенная ветровая нагрузка, приложенная в уровне нижнего пояса фермы (рис. 7)

,

где  – нормативное ветровое давление, кПа [2, п. 6.4];  – коэф­фициент, учитывающий изменение давления ветра по высоте [2,
п. 6.5];  – сумма произведений аэродинамических коэффициентов на высоту элементов фермы [ 2, прил. 4], м:

– для однопролётной рамы

;

– для двухпролётной рамы:

;

В – шаг рам, м;

б) равномерно распределённые ветровые нагрузки на стойки, кн/м:

– с наветренной стороны ;

– с подветренной стороны ;

где  ­– погонная эквивалентная (по моменту  в заделке кон­­сольной стойки) нагрузка, кН/м;  – момент в заделке стойки. определяется по ветровой погонной нагрузке, распределённой по высоте стойки, кН/м, в соответствии с требованиями [2, пп. 6.3; 6.5] и равной по участкам .

 

 

Рис. 7. К расчёту давления ветра на поперечную раму

 

 

Расчётные сочетания усилий

Сечение 1-1

.

Сечение 2-2

– шатровая ветвь:

;

;

,

где – коэффициент сочетаний при учёте двух кранов;

– подкрановая ветвь:

;

.

Сечение 3-3

;

;

.

Сечение 4-4

– подкрановая ветвь

;

;

– шатровая ветвь

;

Закончив статические расчеты, переходят к подбору сечений элементов.

 

 

Расчёт крайней стойки

 

Пример расчёта траверсы стойки с качающейся ветвью

 

Рис. 13. Поперечное сечение траверсы

Траверсу рассматриваем как однопролётную свободно опёртую балку (рис. 13).

Пролёт траверсы м.
Нагрузка на траверсу от качающейся стойки равна 240 кН. Изгибающий момент  кНм.

 Сечение траверсы принимаем из четырёх брёвен диаметром
220 мм, окантованных с четырёх сторон при ширине стёски  (прил. 1).

Момент сопротивления сечения траверсы определяем, пренебрегая болтовыми связями, а также ослаблениями от отверстий для болтов:

.

Проверяем прочность траверсы:

 – проверка выполняется.

     

Определение усилий

 

Рис. 14. К расчёту соединительной решётки стойки

Продольные усилия в элементах решётки стойки определяются от воздействия горизонтальных сил. Наибольшие усилия возникают в элементах решётки нижней части крайней стойки ,  и  
(рис. 14).

Так как элементы  и  выполняются в виде парных накладок, а раскос  – из одного элемента, достаточно проверить раскос  на устойчивость из плоскости решётки. Усилие в раскосе .

 Здесь значение  получено в расчёте подкрановой части стойки.

Проверка устойчивости: .

Cледует отметить, что ширина бруска решётки определяется из усло­вия размещения требуемого числа болтов по результату расчёта прочности болтового соединения решётки с ветвями стойки.

На рис. 15 показана схема размещения болтов с минимальными расстояниями между болтами.

 

 

Рис. 15. Схема размещения болтов в соединении элементов

 

В пиленых элементах рекомендуется нагели устанавливать в два продольных ряда для того, чтобы избежать расположения болтов в местах возможного появления усушечных трещин.

Расчёт фундаментных болтов

 

Анкерные фундаментные болты рассчитываются по наибольшему растягивающему усилию в ветви стойки при действии постоянной вертикальной и максимальной горизонтальной нагрузки.

Постоянная вертикальная нагрузка:

– на шатровую ветвь ;

– на подкрановую ветвь

Наибольшие растягивающие усилия:

– в шатровой ветви

где  – коэффициенты надёжности по нагрузке;

– в подкрановой ветви

Требуемое сечение парных фундаментных болтов для каждой ветви:

для фундаментных болтов из стали ВСт3кп2 по ГОСТ 535–88 с расчётным сопротивлением  [3, табл. 60].

 

 

Расчёт стыка ветви

             

Стык шатровой ветви выполняется лобовым упором с постановкой накладок и прокладки, стянутых болтами.

Растягивающее усилие в стыке, в запас, можно принять равным .

Определяется несущая способность одного среза болта:

– из условия смятия крайнего элемента ;

– из условия смятия среднего элемента ;        

– из условия изгиба болта .

Требуемое количество четырёхсрезных болтов с каждой стороны стыка

.

Проверяем сечение накладок на прочность при растяжении:

,

где А_нm – сечение накладок нетто.

ЧАСТЬ 2

ПРИМЕР РАСЧЁТА ДЕРЕВЯННЫХ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ОДНОЭТАЖНОГО ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ЗДАНИЯ

 

Исходные данные

Пролёт поперечной рамы 21 м, шаг рам 5 м, длина здания 55 м, отметка головки рельса 5,5 м, два мостовых крана грузоподъёмностью
10 т. Материал ригеля и стоек – брус, настила и прогонов – доски. Порода древесины – кедр, сорт – 2. Режим работы: здание отапливаемое, температура 20 °С, влажность 70 %. Средства соединения – стальные болты и гвозди, деревянные пластинчатые нагели. Стеновое ограждение – из сборных утеплённых панелей. Район строительства по снеговой нагрузке –1-й , по ветровой нагрузке – 4-й.

 

 

Расчёт дощатого настила

 

Сбор нагрузки

При влажностном режиме эксплуатации конструкций 70 % (см. задание) определяем группу температурно-влажностных условий конструкций  [1, табл. 1]. Далее устанавливаем плотность массы древесины  [1, прил. 3].

Принимаем рабочий разряженный настил из досок , расположенных с зазором . Нормативная нагрузка от полосы рабочего настила шириной один метр

Для 1-го района снеговая нагрузка на 1 м² поверхности земли s ₀ = 0,8 кПа (расчётное значение), s ₀ = 0,8∙0,7 = 0,56 кПа (нормативное значение) [2,
табл. 4].

Коэффициент надёжности по снеговой нагрузке:

В табличной форме собираем погонную нагрузку в полосе настила шириной один метр (табл. 1).

                                                                                                                                                                        Таблица 1

Расчёт настила

 

Настил рассчитывается по схеме двухпролётной неразрезной балки [4]. Изгибающий момент на промежуточной опоре при первом сочетании нагрузок (рис. 19, постоянная и временная от снега)  кНм – (проверка на прочность и прогиб).

 

 

Рис. 19. Первое сочетание нагрузок

 

Изгибающий момент в пролёте при втором сочетании нагрузок
(рис. 20, постоянная и временная от сосредоточенного груза 1 кН – проверка на прочность)

где  – расчётная сосредоточенная нагрузка, приходящаяся на 1 м ширины настила при наличии косого защитного настила, когда нагрузка 1 кН передаётся на ширину настила, равную
0,5 м. Коэффициент надёжности по нагрузке  (рис. 20).

 

 

Рис. 20. Второе сочетание нагрузок

По максимальному моменту определяем требуемый момент сопротивления

,

где  – коэффициент условия работы настила с учётом кратковременного действия нагрузки;  – расчётное сопротивление древесины кедра при изгибе;  – расчётное сопротивление древесины сосны [1, табл. 3];  – коэффициент породы древесины [1, табл. 4];  – коэффициент условия эксплуатации конструкции [1, табл. 5].

Момент сопротивления принятой конструкции рабочего настила

.

Так как принятый момент сопротивления  больше требуемого, равного , условие прочности настила выполняется.

Прогиб настила не должен превышать 1/150 пролёта:

.

Момент инерции настила J = 0,5 W h = 0,5 ∙ 62,5 ∙ 2,5 = 78,13 см⁴.

Проверка выполняется с большим запасом, однако по условию прочности уменьшить сечение настила нельзя.

Расчёт прогонов кровли

Сбор нагрузок на прогон

Сбор нагрузок на прогон удобно выполнять в табличной форме (табл. 2).

 

                                                                          Таблица 2

Нагрузки на прогон

 

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка, кН/м	g f	Расчётная нагрузка, кН/м
1. Трёхслойная рулонная кровля 0,0895 × 1,5	0,1343	1,3	0,1745
2. Защитный настил 0,1074 × 1,5	0,1611	1,1	0,1772
3. Рабочий настил 0,073 × 1,5	0,1095	1,1	0,1205
4. Утеплитель 1 × 1,5 × 0,08	0,1200	1,3	0,1560
5. Пароизоляция 0,03 × 0,995 × 1,5	0,0448	1,3	0,0582
6. Доски подшивки1,5rdcosa = = 0,5 × 9,81 × 0,03 × 1,5 × 0,995	0,2196	1,1	0,2416
7. Прогон из спаренных досок 0,5 × 9,81 × 2 × 0,05 × 0,18	0,0883	1,1	0,0971
ИТОГО: постоянная нагрузка	0,88		1,0214
7. Снеговая нагрузка s = 1,5 s 0cosa = = 1,5 × 0,56 · 0,995	0,836	1,43	1,195
Итого: полная нагрузка	1,71		2,22

Вычисляем момент на промежуточных опорах [8, 9]

Момент сопротивления сечения .

Момент инерции .

Проверка прочности:  < .

Проверка прогиба: .

При попытке уменьшить ширину доски прогонов до 150 мм проверка прочности не выполняется. Поэтому оставляем ширину доски 180 мм.

Выполняем проверки прочности и прогиба в крайних пролётах.

Момент на первой промежуточной опоре

.

Проверка прочности:

Проверка выполняется.

Проверка прогиба в крайнем пролёте:

.

Проверка выполняется.

Рассчитываем гвоздевой забой в стыке прогона.

Расстояние от оси опоры до стыка (длина консоли)

. Принимаем м.

Расстояние от оси опоры до центра размещения гвоздей  при однорядной их расстановке

Несущая способность одного среза гвоздя

 кН.

Требуемое количество гвоздей с каждой стороны стыка

.

Принимаем 4 штуки.

Расчёт фермы покрытия

Сбор нагрузки на ферму

Нагрузка на верхний узел фермы:

● от постоянной нагрузки (табл. 3);

;

● от веса связей (по эскизному расчёту) ;

● от постоянной нагрузки, включая вес связей

;

● от снега ; 

● полная G + S = 21,9 + 21 = 42,9 кН.

Сбор нагрузки на ферму выполняется в табл. 3.

Таблица 3

Сбор нагрузки на ферму

 

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка, кН/м^2	g f	Расчётная нагрузка, кН/м^2
1. вес кровли, настила, прогонов и утеплителя при шаге прогонов 1,5 м  (табл. 2)	0,88: 1,5cosa = = 0,587: 0,995 = = 0,59	–	1,025: 1,5cosa = = 0,683: 0995 = = 0,687
2. Собственный вес фермы   принимать ксв = 3,5.....4,5	0,12	1,1	0,132
Итого: постоянная нагрузка	0,71	–	0,819
3. снеговая	0,56	1,43	0,8 [2]
Итого: полная нагрузка	1,27	–	1,62

 

Усилия от снеговой нагрузки определяются по двум схемам: на всем пролете и на половине пролета фермы.

Геометрические размеры фермы см. на рис. 22.

 

 

Рис. 22. Геометрические размеры фермы

Усилия в элементах фермы

 

Элементы  фермы		Обозначение усилия	Расчётные усилия, кН
			От постоянной нагрузки	От временной (снеговой) нагрузки			Максимальные усилия
				Слева	Справа	Полная	Растяжение	Сжатие
Верхний пояс	2–3	О 1	–58,26	–37,25	–18,62	–55,87	–	114,13
	3–6	О 2	–58,26	–37,25	–18,62	–55,87	–	114,13
Нижний пояс	2–4	U 1	+64,00	+40,89	+20,45	+61,34	125,34	–
	4–5	U 2	+65,70	+31,5	+31,5	+63,0	128,70	–
Раскосы	4–6	D 1	–9,3	+6,68	–15,58	–8,9	–	24,88
	6–8	D 2	–9,3	–15,58	+6,68	–8,9	–	24,88
Стойки	1–2	V 1	–43,8	–31,5	–10,5	–42,0	–	85,80
	3–4	V 2	–21,9	–21,0	0,00	–21,0	–	42,90

 

Расчёт элементов фермы

Расчёт верхнего пояса

На рис. 23 представлены две панели полупролёта верхнего пояса фермы.

 

б

а

 

Рис. 23. К расчёту верхнего пояса фермы: a – схема двух блоков; б – расчётная схема блока

 Верхний пояс принят из четырёх блоков длиной по 5280 мм и рассчитывается как сжато-изгибаемый стержень на продольное усилие  кН и местную поперечную нагрузку

В расчёте учтено, что на пояс приходится 2/3 полного веса фермы.

Изгибающий момент от поперечной нагрузки

С целью уменьшения поперечного изгиба узлы верхнего пояса конструируются с внецентренной передачей продольных усилий  и  так, чтобы появлялся разгружающий момент . Конструктивно это достигается смещением площадок смятия в узлах на величину эксцентриситета   относительно геометрической оси элемента [10].

Принимая величину момента от поперечной нагрузки с учётом разгружающего момента  получим  и, задаваясь шириной сечения пояса , определим высоту сечения из формулы расчёта бруса на сжатие с изгибом:

,

получим  здесь  (в первом приближении);  [1, табл. 13];  – расчётное сопротивление древесины кедра на сжатие, равное  для древесины сосны).

Принимаем высоту сечения пояса  (два бруса сечением ).

Площадь поперечного сечения

Момент сопротивления, как для цельного сечения,

Гибкость цельного сечения .

Коэффициент приведения гибкости составного элемента [1, п. 4.6]

где  – коэффициент податливости соединения дубовыми пластинчатыми нагелями [1, табл. 12], . – число нагелей на панели при шаге

Гибкость составного элемента с учётом податливости соединений

 = ,

где  (стяжные болты расположены на опорах и в середине пролёта, поэтому расчётная длина ветви ).

Коэффициент, учитывающий дополнительный момент от продольной силы,

 =

Принимаем эксцентриситет . Тогда изгибающий момент

Выполняем проверку прочности пояса при загружении снегом всего пролёта фермы:

,

 коэффициент для составного элемента на податливых соединениях при пролёте 5,28 м [1, табл. 13].

Проверка выполняется.

произведем проверку на устойчивость плоской формы деформирования [1, формула (33)]:

.

Проверка выполняется.

Здесь , , прогоны через два соединяются крестовыми связями, .

Расчёт деревянных пластинчатых нагелей. Брусья пояса соединяются сквозными дубовыми пластинчатыми нагелями, толщиной  и длиной .

Расчётная несущая способность дубового нагеля

= 0,9∙0,75∙15 = 10,1 кН.

Требуемое количество нагелей на половине длины панели

,

где м³; .

При шаге нагелей, равном  = 9 ∙ 1,2 = 11 см на половине длины панели можно разместить следующее число нагелей

Принимаем

 

Расчёт нижнего пояса

 

Усилия в элементе 4–5 нижнего пояса U ₂ = 128,7 кН и первом нисходящем раскосе 2–4 U ₁ = 125,34 кН примерно одинаковы. Поэтому для этих элементов принимаем одно сечение из двух уголков (сталь С235).

площадь сечения из условия прочности

Из условия ограничения гибкости радиус инерции сечения

Принимаем сечение из двух уголков 50 5

 

 

Расчёт стойки 3-4

 

Стойка центрально сжата усилием 42,9 кН, расчётная длина 2,98 м.

Задаёмся гибкостью 120 и вычисляем высоту сечения . Принимаем сечение b h = 15 12,5 см.

Гибкость .

Коэффициент .

Проверка на устойчивость

.

Проверка выполняется.

 

Расчёт раскоса 4–6

 

Раскос центрально сжат усилием 24,88 кН, расчётная длина 6,3 м.

Задаёмся гибкостью 150 и вычисляем высоту сечения

.

Принимаем сечение 15 15 см.

Гибкость . Коэффициент .

Проверка на устойчивость

.

            

Весовые показатели фермы

 

Расход древесины на ферму равен , расход стали , вес связей . Полный вес фермы .
Вес фермы на  плана покрытия равен , что мало отличается от принятого в расчёте. Коэффициент собственного веса  (в расчёте был принят ).

 

 

Постоянные нагрузки

Нагрузка от веса кровли и фермы

Нагрузка от веса стены

,

где  – вес 1 м² глухих стеновых панелей;  – ширина стеновых панелей;  – число глухих стеновых панелей в пределах верхней части стойки;  – шаг рам.

Нагрузка от веса верхней части стойки

,

где  – вес погонного метра стойки;  – площадь сечения двух брусьев брутто, м².

Задаёмся сечением бруса  – удельный вес древесины [1, прил. 3];  – коэффициент, учитывающий вес металлических деталей;  – коэффициент перегрузки;  – высота надкрановой части стойки.

Нагрузка от веса стены, передающаяся на нижнюю часть стойки

где  – нагрузка от веса остеклённых стеновых панелей ;  – высота поясов глухих и остеклённых панелей соответственно, м.

Нагрузка от веса нижней части колонны

,

где  и  – сечение и угол наклона раскоса к горизонту.

Нагрузка от веса подкрановой балки, шпал и рельса

где  – погонный вес шпренгельной балки ;  – вес рельса;  – сечение и длина шпалы, м;  – шаг шпал, м.

Кратковременные нагрузки

снеговая