Волик А.Р. Конструкции из дерева и пластмасс

Подождите немного. Документ загружается.

УЧЕБНЫЙ МОДУЛЬ 3

РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАСС

ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ

Тема занятий Тип занятий Вид занятий

Кол-во

часов

Основные принципы расчетов по

предельным состояниям

Изучение нового

материала

Лекция 2

Расчет элементов деревянных кон-

струкций

Изучение нового

материала

Лекция 4

Определение нагрузок, действую-

щих на конструкции

Углубление

знаний

Практическое

занятие

Расчет деревянных элементов

Систематизация

знаний

Практическое

занятие

Сбор нагрузок на конструкции по

индивидуальному заданию

Углубление

и систематизация

знаний

Самостоятельная

работа (курсовое

проектирование)

Лекция 4

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТОВ

ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ

4.1. Основные принципы расчетов.

4.2. Воздействия. Нормативные и расчетные значения.

4.3. Нормативное и расчетное сопротивление древесины.

4.1. Основные принципы расчетов

Предельное состояние – состояние, при достижении которого кон-

струкция перестает удовлетворять предъявляемым к ней в процессе экс-

плуатации или возведения требованиям, заданным в соответствии

с назна-

чением и ответственностью сооружения.

по потере несущей способности или

непригодности к эксплуатации

по непригодности к нормальной

эксплуатации

Предельное состояние

первой группы

второй группы

Предельные состояния первой группы связаны с обрушением или

другими формами разрушения конструкций, которые могут угрожать здо-

ровью и жизни людей, и включают в себя следующие расчеты:

• по прочности, чтобы предотвратить хрупкое, вязкое, усталостное и

иного характера разрушение;

• по потере устойчивости формы конструкций (расчет на общую и

местную устойчивость);

•

по потере устойчивости положения конструкций (расчет на опро-

кидывание и скольжение).

При расчете конструкций по первой группе предельных состояний

должно соблюдаться условие

RT <

или

(

)

dididi

...... ααα

≤

, (4.1)

т.е. расчетная несущая способность R

должна превышать расчетное зна-

чение внутренней силы или момента T

или максимальные нормативные

или скалывающие напряжения не должны превосходить расчетные сопро-

тивления материалов.

Предельные состояния второй группы соответствуют состояниям,

при достижении которых конструкция не отвечает эксплуатационным

требованиям, и включают в себя следующие расчеты:

• по определению деформаций или прогибов, влияющих на внеш-

ний вид, эффективное использование конструкции или вызывающих по-

вреждение отделки и других элементов.

В общем виде условие, которое должно соблюдаться при расчете

конструкций по второй группе предельных состояний, представляется как

CE <

или

limmax

≤ , (4.2)

где

– нормальное значение или функция определенных свойств материала

конструкции, связанная с рассматриваемым расчетным воздействием;

–

расчетный эффект от воздействия нормативных нагрузок;

max

– макси-

мальный относительный прогиб конструкции;

lim

– предельно допустимый

прогиб, указанный в разделе 10 «Прогибы и перемещения» СНиП 2.01.07-85.

Предельные прогибы (табл. 4.1) устанавливаются исходя из сле-

дующих требований:

• технологических (обеспечение условий нормальной эксплуатации

технологического и подъемно-транспортного оборудования, контрольно-

измерительных приборов);

• конструктивных (обеспечение целостности примыкающих друг к

другу конструкций и их стыков, обеспечения заданных уклонов);

• физиологических (предотвращение вредных воздействий и ощу-

щений дискомфорта при колебаниях);

• эстетико-психологических (обеспечение благоприятных впечатле-

ний от внешнего вида конструкций, предотвращение ощущения опасности).

Таблица 4.1

Вертикальные предельные прогибы

Элементы конструкций

Предъявляе-

мые требо-

вания

Предельные верти-

кальные прогибы

lim

Нагрузки для

определения

прогибов

Балки, фермы, ригели, прого-

ны, плиты, настилы:

• покрытий и перекрытий, откры

тых для обзора, при пролете l, м;

l < 1 1 / 120

l = 3 1 / 150

l = 6 1 / 200

l = 24 (12) 1 / 250

l < 36 (24)

эстетико-психологических

1 / 300

Постоянные и временные

длительные

• покрытий и перекрытий при

наличии перегородок под ними

Конструктивные

Прогиб не должен пре-

вышать зазора между

нижней поверхностью

конструкции и верхом

перегородок (как

правило, не должен

превышать 40 мм)

Приводящие

к уменьшению

зазора

• покрытий и перекрытий

при наличии на них элемен-

тов, подверженных растрески-

ванию (стяжек, полов и пере-

городок)

Конструктивные

1 / 150

Действующие

после выполне-

ния перегородок,

полов,

стяжек

Примечания.

• Для промежуточных значений l предельные прогибы определяют линейной

интерполяцией.

• Цифры, указанные в скобках, следует принимать при высоте помещений до

6 м включительно.

4.2. Воздействия. Нормативные и расчетные значения

Воздействия – это нагрузки, усилия, приложенные к конструкции

(прямые воздействия), или вынужденные деформации (косвенные воздей-

ствия), возникшие в результате изменения температуры. Величины воздей-

ствий определяются строительными нормами СНиП 2.01.07-85 с учетом

изменения №1 (от 11.06.2004 г.).

• длительные

• кратковременные

• особые

К постоянным нагрузкам относится вес частей сооружений, в том

числе вес несущих и ограждающих конструкций.

длительным нагрузкам относятся:

• вес временных перегородок, подливок под оборудование;

• вес стационарного оборудования;

• нагрузки от складируемых материалов и стеллажного оборудования;

• нагрузки от людей, животных, оборудования на перекрытия жи-

лых, общественных и сельскохозяйственных зданий с пониженным норма-

тивным значением;

• снеговые нагрузки с пониженным нормативным значением.

кратковременным нагрузкам относятся:

• снеговые нагрузки с полным нормативным значением;

• ветровые нагрузки;

• вес людей, ремонтных материалов в зоне обслуживания и ремонта

оборудования.

особым нагрузкам следует отнести:

• сейсмические воздействия;

• взрывные воздействия.

Каждая нагрузка имеет нормативное и расчетное значение. Норма-

тивное значение обозначается индексом «

k», расчетное – «d».

Нормативные нагрузки являются исходными значениями. Посто-

янные нормативные нагрузки вычисляются по значениям собственного ве-

са и объема конструкций и других элементов. Временные нормативные на-

Воздействия

постоянные G(g)

временные Q(q)

грузки определяются в результате обработки данных многолетних наблю-

дений и измерений.

Нормативные нагрузки учитываются при расчете по второй группе

предельных состояний.

Расчетные нагрузки определяются на основе нормативных с учетом

их возможной переменчивости, особенно в большую сторону.

Расчетное значение воздействий

следует определять путем умноже-

ния нормативного значения

на коэффициент надежности для воздействий γ

fkd

FF γ

⋅

в частности: для постоянных воздействий

Gkd

GG γ

⋅

; для временных

воздействий

Qkd

QQ γ⋅=

или

iQkd

⋅

, где γ

– коэффициенты

надежности для воздействий, учитывающих возможность неблагоприят-

ных воздействий, неточностей их моделирования.

Расчетные воздействия применяются при расчете конструкций по

первой группе предельных состояний.

Расчетные ситуации

При расчете деревянных конструкций следует предусматривать все

расчетные ситуации и случаи нагружения и выбирать наиболее неблаго-

приятные расчетные случаи, для которых проверяются условия соответст-

вующих

предельных состояний.

Таблица 4.2

Расчетные значения нагрузок в сочетаниях

Временные нагрузки Q

Расчетная

комбинация

Постоянная

нагрузка G

первая все остальные

Особые

нагрузки D

Основная

Особая

Gγ

Qγ

kQQ

При расчете по I группе предельных состояний:

•

основная комбинация

idQidd

QQG

⋅

;

•

особая комбинация

kAikkQd

DQQG γψψ

⋅

При учете сочетаний, включающих постоянные и не менее двух вре-

менных нагрузок, расчетные значения временных нагрузок следует умно-

жать на коэффициент сочетания ψ

, равный:

•

в основных сочетаниях для длительных нагрузок ψ

= 0,95; для

кратковременных – ψ

= 0,9;

• в особых сочетаниях для длительных нагрузок ψ

= 0,95, для крат-

ковременных – ψ

= 0,8.

Постоянные воздействия

Постоянная нормативная нагрузка g

, действующая на конструкции,

состоит из двух частей:

•

нагрузок от всех элементов и материалов, поддерживаемых дан-

ной конструкцией;

•

нагрузки от собственного веса основной рассчитываемой конст-

рукции.

При предварительном расчете нагрузку от собственного веса рассчи-

тываемой конструкции можно определить приближенно, используя эмпи-

рическую формулу

1000

−

⋅

kski

где

– постоянная нагрузка от веса поддерживаемых элементов;

–

снеговая нагрузка;

– коэффициент собственного веса;

Постоянная расчетная нагрузка равна произведению нормативной

на коэффициент надежности для постоянных воздействий

Таблица 4.3

Значение коэффициента

в зависимости от вида нагрузки

Вид нагрузки

Значение

коэффициента

• от собственного веса деревянных конструкций

1,1

• от утеплителя, кровли, стяжек, выполняемых в за-

водских условиях

1,2

• от утеплителя, кровли, стяжек, выполняемых в

построечных условиях

1,3

Снеговая нагрузка

Нормативная снеговая нагрузка

определяется с учетом норма-

тивного веса снегового покрова на 1 м

горизонтальной поверхности

S ,

который дается в нормах в зависимости от снегового района и особенно-

стей формы покрытия µ.

⋅

Республика Беларусь согласно изменению № 1 к СНиП 2,01,07-85

«Нагрузки и воздействия» разделена на 2 снеговых района: IБ с

8,0

кПа,

IIБ с

2,1

кПа.

Коэффициент µ, учитывающий уклон и другие особенности формы

покрытия, определяется:

•

при двускатных или односкатных покрытиях, имеющих угол на-

клона ;1 ,25

=µ≤α при ,0 60

=µ>α а при промежуточных углах на-

клона

6025 >α> µ определяется интерполяцией.

•

при сводчатых покрытиях по сегментным фермам или аркам рав-

номерная снеговая нагрузка определяется с учетом коэффициентов

µ (рис. 4.1, а).

• при стрельчатой форме (рис. 4.1, б) при

15≤β снеговая нагрузка

определяется как для двускатных покрытий, при

15>β – как на сегмент-

ные покрытия.

Рис. 4.1. Определение снеговой нагрузки

α=µ 8,1cos

;

=µ 4,1sin4,2

, где

– угол покрытия, град.

Расчетная снеговая нагрузка равна произведению нормативной на-

грузки на коэффициент надежности для снеговых воздействий

5,1

Если отношение нормативного значения равномерно распределенной на-

грузки от веса покрытий к нормативному значению веса снегового покрова

менее 0,8 , тогда

6,1=

В 2004 г. изданы строительные нормы «Нагрузки и воздействия» в

России. Вся Российская федерация разделена на 8 снеговых районов, для

которых даны расчетные значения S

веса снегового покрова 1 м

горизон-

тальной поверхности. Нормативное значение снеговой нагрузки определя-

ется умножением расчетного значения на 0,7.

Ветровая нагрузка

Нормативное значение ветровой нагрузки

определяется умно-

жением нормативного давления ветра на коэффициент, учитывающий вы-

соту здания, и аэродинамический коэффициент, учитывающий его форму,

ckwq

⋅

где

w – нормативное значение ветрового давления (оно направлено пер-

пендикулярно поверхностям покрытия и стен и зависит от ветрового рай-

она страны);

– коэффициент, учитывающий изменение ветрового давле-

ния по высоте (для большинства зданий из дерева и пластмасс, высота ко-

торых не превышает 10 м,

= 1); c – аэродинамический коэффициент –

зависит от формы здания, его абсолютных и относительных размеров, ук-

лонов, относительных высот покрытия.

Для большинства скатных покрытий угол наклона не превышает

14=α , ветровая нагрузка действует в виде отсоса. Ветровая нагрузка

должна обязательно учитываться при расчете стоек, конструкций тре-

угольной и стрельчатой формы.

Расчетная ветровая нагрузка равна нормативной, умноженной на

коэффициент надежности 4,1

4.3. Нормативное и расчетное сопротивления древесины

Нормативное сопротивление древесины

..α

(МПа) является ос-

новной характеристикой прочности древесины чистых от пороков участ-

ков. Эта величина определяется по результатам многочисленных лабора-

торных кратковременных испытаний малых стандартных образцов сухой

древесины влажностью 12 % на растяжение, сжатие, изгиб, смятие и ска-

лывание.

Статическая обработка таких испытаний позволяет определить нор-

мативное сопротивление, для которого доверительная вероятность уста-

новлена не ниже 0,95. Это значит, из 100 % отобранных образцов не менее

95 % должны иметь прочность, большую нормативного сопротивления или

равную ему.

Расчетное сопротивление древесины

..α

– это основная характе-

ристика прочности реальной древесины, т.к. древесина имеет естественные

допускаемые пороки (которых не бывает в лабораторных образцах) и ра-

ботает под нагрузками в течение многих лет.

Расчетное сопротивление древесины получают путем деления нор-

мативных значений сопротивления на коэффициенты надежности

γ⋅γ

где

– коэффициент надежности по материалу;

– коэффициент надеж-

ности по назначению.

Качество древесины естественно влияет на величины ее расчетных

сопротивлений. Древесина 1 сорта (с наименьшими пороками) имеет наи-

большее расчетное сопротивление.

В СНБ 5.05.01-2000 расчетные сопротивления установлены в зави-

симости от сорта древесины: сосны, ели, лиственницы европейской, а рас-

четное сопротивление других пород учитывается путем введения коэффи-

циента

породы

k .

Анизотропия древесины, наличие пороков, чувствительность к тем-

пературно-влажностным факторов требует введения ряда коэффициентов:

•

mod

k – коэффициент условий работы

mod

k учитывает условия, в которых ра-

ботают конструкции и длительность

нагружения

•

– коэффициент, учитывающий

температуру окружающего воздуха

при

35≤

, при

50=

8,0

k . Для промежуточных значений

k принимается по интерполяции

•

k – коэффициент, учитывающий из-

менение высоты поперечного сечения

при высоте сечения более 500 мм значе-

ние

k снижается от 1 до 0,8

•

k – коэффициент, учитывающий из-

менение расчетных сопротивлений изги-

бу, сжатию в зависимости от толщины

слоев в клееных элементах

значение

k находится в пределах 0,95 ÷ 1,1

и зависит от толщины склеиваемых эле-

ментов

•

k – коэффициент, учитывающий из-

менение расчетных сопротивлений рас-

тяжению, сжатию и изгибу для гнутых

деревянных элементов

зависит от отношения

и имеет

значение в пределах 0,6 ÷ 1,0

•

k – коэффициент, учитывающий

концентрацию напряжений в деревянных

элементах при наличии ослаблений

для растянутых элементов с ослаблением

в расчетном сечении и изгибаемых эле-

ментов из круглых лесоматериалов с

подрезкой 8,0

•

k – коэффициент, учитывающий из-

менение расчетных сопротивлений при

глубокой пропитке антипиренами

при глубокой пропитке древесины

9,0

Модуль упругости древесины вдоль волокон независимо от породы

принимается МПа 10000

=Е . Это значение получено путем снижения в

1,5 раза модуля упругости (Е = 15000 МПа), полученного из кратковре-

менных испытаний образцов древесины; поперек волокон Е

= 400 МПа.

Модуль упругости древесины для учета зависимости от условий экс-

плуатации и классов длительности нагружения необходимо умножать на

значения коэффициента

mod

k , а для конструкций, подвергающихся воздей-

ствию повышенной температуры, – на значение коэффициента

Лекция 5

РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

5.1. Расчет центрально-растянутых элементов.

5.2. Расчет сжатых элементов.

5.3. Расчет изгибаемых элементов.

5.4. Расчет элементов, подверженных изгибу с осевым растяжением.

5.5. Расчет элементов, подверженных изгибу с осевым сжатием.

5.6. Скалывание и срез древесины.

5.1. Расчет центрально-растянутых элементов

Растянутые элементы

– это нижние пояса ферм, затяжки арок и

стержни других сквозных конструкций.

Зависимость древесины при растяжении

..o. dtt

−

близка к линей-

ной (рис. 5.1), т.к. древесина работает на растяжение как упругий матери-

ал. Разрушение растянутых элементов происходит хрупко, в виде почти

мгновенного разрыва наименее прочных волокон по пилообразной по-

верхности без заметных предварительных деформаций.

Поэтому работа деревянных элементов при растяжении является

наиболее ответственной и растянутые элементы надо изготовлять,

как пра-

вило, из наиболее прочной древесины 1 сорта. Но при отсутствии такого

материала допускается в мало напряженных элементах применять древе-

сину 2 сорта.

Прочность растянутых элементов в тех местах, где они ослаблены от-

верстиями или врезками, снижается в результате дополнительной концен-

трации напряжений у их краев. Это учитывается коэффициентом

k = 0,8 к

расчетному сопротивлению древесины.