Разработка конструктивно- компоновочной схемы здания

2. Разработка конструктивно-

компоновочной схемы здания.

Основные элементы проектируемого здания.

 

Основные несущие конструкции  покрытия, воспринимающей и передающей на фундаменты действующие на здание атмосферные, технологические, нагрузки от собственного веса элементов здания и обеспечивающей жесткость здания, является ребристый купол.

Диаметр купола – 30 м, высота 8,4 м.

Ограждающие конструкции купола дощатый  дубовый настил, ребра купола дощатые  клееные материал ребер купола сосна, влажностью 9%. Нижнее распорное кольцо монолитное железобетонное, верхнее стальное. В верхней части купола в пределах верхнего кольца предусматривается световой проем из стекла.

Принудительная схема  условных элементов, их способ сопряжения друг с другом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Схема основных элементов:

1-ребра арки; 2-кольцевые прогоны; 4-нижнее кольцо; 5-верхнее кольцо; 6-дощатый настил; 7-поперечные скатные  связи; 8-грузовая площадь нагрузок  на расчетное ребро.

 

 

 

Устойчивость арок в плоскости, перпендикулярной вертикальной, а также общая жесткость покрытия обеспечивается поперечными, а при необходимости вертикальными связями.

  Сбор нагрузок на настил       Таблица 1

Наименование нагрузки	Нормативная нагрузка, кН/м	коэффициент надежности по нагрузке	Расчетная нагрузка, кН/м
1. дощатый настил : мм .; кг/м3	0,35	1,1	0,38
2. медные листы  мм .; кг/м3	0,085	1,1	0,094
3.Постоянная	0,43	-	0,47
7. Снеговая: S0=0,5 кПа для I снегового района  (табл.4 СНиП    2.01.07-85)	0,5	1,4	0,7
8.Полная	0,93	-	1,17

Статистический расчет

Нагрузка от веса ограждающих  конструкций

g^н=0,43 кН/м g^р=0,47 кН/м

При g^н/ S₀=0,43/0,5=0,86, принимаем n=0,86

Расчет настила ведем  на нормальную составляющую действующей нагрузки

кН/м

кН/м

По формуле 54 (1)

 кНм

Определяем толщину настила  по формуле 12 (1)

 откуда 

где R_и=1,3/0,95=1,37 кН/см²; , R_и=13 Мпа

 при b=100 см. По сортаменту h=1,9см

 

Прогиб проверяем по формуле 56 (1)

3. Прогоны. Статистический  расчет.

Расчетная схема прогона –неразрезная балка с равными пролетами по всей длине.

Нагрузка от покрытия:

 g^н=0,43*2,25=0,96 кН/м g^р=0,47*2,25=1,05 кН/м

Ориентировочно нагрузка от собственного веса:

g^н_с.в.=0,12 кН/м g_с.в.=0,13 кН/м

Снеговая нагрузка

S₀=0,5*2,25=1,12 S₀=0,7*2,25=1,57

Нормальная составляющая нагрузки

кН/м

кН/м

Изгибающий момент по формуле 61 (1)

 кНм

По формуле 12 (1)

 где R_и=1,3/0,95=1,37 кН/см²; , R_и=13 Мпа

По приложению 1 (1) принимаем  сечение из двух досок размером 62,5 х 175 мм с W_х=638 см³; J_х=5582,7 см⁴

Прогиб прогона проверяем  по формуле 61 (1)

В стыке досок прогона  ставим гвозди диаметром 5 мм, е=150 мм в два ряда с каждой стороны стыка. По длине доски скрепляем гвоздями в шахматном порядке через 500 мм.

 

 

 

 

 

Рис.2. крепление прогонов

S₁=15d=15*0.5=7.5 см, с=5 см, а₁=5-1,5*0,5=4,25 см.

По формулам 43,46,47(1) табл. 3,3 расчетная несущая способность гвоздя, кН:

где по рис.3,5(1) к_н=0,38 при а₁/с=4,25/5=0,85

 

4. РАСЧЕТ РЕБРА.

Материал балок сосна.

 Сбор нагрузок на ребро                 Таблица 2

Наименование нагрузки	Нормативная нагрузка, кН/м	коэффициент надежности по нагрузке	Расчетная нагрузка, кН/м
1. дощатый настил : мм .; кг/м3	0,35	1,1	0,38
2. медные листы  мм .; кг/м3	0,085	1,1	0,094
3. прогоны : мм .; кг/м3	0,31	1,1	0,34
4.Постоянная	0,74	-	0,81
5. Снеговая: S0=0,5 кПа для I снегового района  (табл.4 СНиП    2.01.07-85)	0,5	1,4	0,7
6.Полная	1,24	-	1,51

 

Нагрузка от веса балки

 g^н_с.в.= кН/м²

g^р_с.в=0,109*1,1=0,12 кН/м²

Полная нагрузка на 1 м:

g^н=(0,74+0,5+0,109)*7,85=10,5 кН/м

g^р=(0,81+0,7+0,12)*7,85=12,7 кН/м

Определяем усилия:

 кНм

 кН

Принимаем ребро прямоугольного сечения

h=е/15=1350/15=90 см

Принимаем толщину доски после  острожки а=3,5 см, тогда h=3,5*26=91 см 90см, b=13,5см, с учетом острожки боковой поверхности.(26 досок)

 Геометрические характеристики.

см⁴

см³

см³

Проверяем сечение по нормальным напряжениям

кН/см²=10,3 МПа =15*0,89/0,95 = 14Мпа

m_б=0,89 коэффициент условия работы.

По касательным напряжениям

 кН/см²=0,34 МПа 1,6/0,95=1,68 Мпа

 

 

 

где R_ск=1,6 Мпа скалывание вдоль волокон

По устойчивости плоской формы  деформирования 16(1)

кН/см²=9,8 МПа =15*0,89/0,95 = 14Мпа

к_ф=1,13 (см. табл. 2.4(1)). е₀=300 см расстояние между поперечными связями.

Проверка прогиба.

где к=1 – коэффициент учитывающий переменность высоты сечения элемента.

с -  коэффициент учитывающий  влияние деформаций сдвига на прогиб

(см. табл. 2.3(1)).

 

 

5. РАСЧЕТ КУПОЛА.

Сбор нагрузок                               Таблица 3

Наименование нагрузки	Нормативная нагрузка, кН/м	коэффициент надежности по нагрузке	Расчетная нагрузка, кН/м
1. дощатый настил : мм .; кг/м3	0,35	1,1	0,38
2. медные листы  мм .; кг/м3	0,085	1,1	0,094
3. прогоны : мм .; кг/м3	0,31	1,1	0,34
4.Постоянная	0,74	-	0,81
5. Снеговая: S0=0,5 кПа для I снегового района (табл.4 СНиП    2.01.07-85)	0,5	1,4	0,7
6.Полная	1,24	-	1,51

 

Каждая пара ребер  купола образует трехшарнирную арку.

 

 

 

Расстояние между арками по нижнему кольцу:

 

где:

D_n=30 диаметр круга

n=12 число сторон

 

Стрела подъема арки:

Радиус кривизны арки:

Центральный угол:

 

Длина дуги арки:

Расчет арки купола.

Постоянная нагрузка:

g^н=0,74 кН/м²  g^р=0,81 кН/м²

с учетом криволинейности покрытия:

g^н=0,74*s/D_n=0.74*32.27/30=0.79 кН/м²

g^р=0,74*s/D_n=0.81*32.27/30=0.87 кН/м²

Снеговая нагрузка по СНиП 2.01.07-85  S₀=0,5 кН/м²

При g^н/ S₀=0,79/0,5=1,58

Нагрузка от веса ребер купола

 g^н_с.в.= кН/м²

 

 

 

 

g^р_с.в=0,06*1,1=0,066 кН/м²

Наибольшие ординаты треугольной  эпюры нагрузки:

g = (0,87+0,066)*10=9,36 кН/м   s= 0,58*10=5,8 кН/м

Ветровую нагрузку при принятом подъеме купола не учитываем.

6. УСИЛИЯ.

Расчетные усилия определяем при загружении арки постоянной нагрузкой по всему  пролету и снеговой на левой половине пролета (см. прил. VIII табл. 2(1)).

Наибольший положительный изгибающий момент действует в сечении на расстоянии 0,2D_n от левой опоры:

 кНм

Наибольший отрицательный изгибающий момент действует в сечении на расстоянии 0,6D_n от левой опоры:

 кНм

Опорные реакции (см. прил. VIII табл. 2(1)).

От постоянной нагрузки:

 

от снеговой нагрузки по всему пролету:

 

от снеговой нагрузки на левой половине пролета:

 

При полном загружении постоянной и снеговой нагрузками:

 

При загружении постоянной нагрузкой по всему пролету и  снеговой на левой половине:

 

 

 

 

Нормальная и поперечная силы в сечении 0 на опоре при полном загружении арки по ф-ле 107(1)

Х=0 У=0     

Нормальная сила в сечении с  наибольшим положительным изгибающим моментом:

 Х=6м 

    

Нормальная сила в сечении  с наибольшим отрицательным изгибающим моментом:

Х=12м       

   

 

Нормальная и поперечная силы в  сечении С (в ключевом шарнире) при  загружении постоянной и снеговой нагрузками на левой половине:

7. КОНСТРУКТИВНЫЙ  РАСЧЕТ.

Принимаем арку прямоугольного сечения высотой h=3,3*40=132 см, что составляет h/D_n=1.32/30=0.044 1/45. Ширина сечения по условиям монтажа b=18 см. Сечение из досок 20 х 4 см (до острожки).

Геометрические характеристики поперечного сечения:

F=18*132=2376 см²    J=18*132²/12=3449952 см⁴

W=18*132²/6=52272 см³   S=18132²/12=39204 cм³

 

 

 

Прочность поперечного  сечения арки проверяем по формуле 20(1)

 

где

 кН см

М=96,9 кНм - Наибольший положительный  изгибающий момент

где

s= 3227 см длина дуги арки

h=132 см высота арки

(см. табл. 2,2(1))

Для обеспечения устойчивости плоской формы деформирования арки, закрепляем на ней дощатый настил и ставим поперечные связи, прикрепляемые к верхним кромкам арок, через 300 см. Проверяем устойчивость полуарки с положительным моментом и раскрепленной сжатой кромкой по формуле 26(1)

 

где

 

 

 

Устойчивость полуарки с отрицательным  моментом и раскрепленной сжатой кромкой по формуле 26(1)

 кН см

е₀=0,5s=1613,5 см- расчетная длина в плоскости, перпендикулярной плоскости арки.

где:

- центральный угол определяющий участок

m=9 число подкрепленных (с одинаковым шагом) точек растянутой кромки

 

 

Прочность поперечного сечения  арки по касательным напряжениям  проверяем по формуле 14(1):

=,014 КПа 1,5Мпа

где:

Верхнее кольцо многоугольное  из прокатного швеллера №40 (ГОСТ 8240-72^*)

 

 

 

Диаметр описанного круга из условия  размещения опорных башмаков 5 м.

Проверяем верхнее сжатое кольцо на устойчивость по формуле 163(1):

где:

центральный угол сектора

Расчет проводим для  опорного узла как более нагруженного.

Расчетные усилия в опорном узле: нормальная сила N=158.04 кН; поперечная сила Q=21,6 кН;

Конструкцию узла принимаем  следующей:

 

Рис.3.  Опорный узел

 

 

Опорную пластину для крепления  плиточного шарнира принимаем размерами  b_п=10 см, h_п=15 см. Напряжения смятия торца арки под пластиной:

Толщина пластины из условия работы ее как двухконсольной балки:

   

 толщина пластины  Принимаем .

Плиточный шарнир проверяем на изгиб  и смятие.

Изгиб: М=Qa=21.6*3=64.8 кНсм   . При b_h=8 см толщина шарнира   Принимаем 2 см.

Смятие:

Плиточный шарнир привариваем  к опорным пластинам, а последние к гнутым профилям, обрамляющим оголовок арки. Гнутый профиль размерами h_б=400 мм, b_б=200 мм, =12 мм; прикрепляют к арке болтами d=20 мм.

 

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КОНСТРУКЦИИ