АРКИ КРИВОЛИНЕЙНОГО ОЧЕРТАНИЯ
Арки криволинейного очертания (кругового и стрельчатого) выполняют обычно клееными из многослойного пакета гнутых плашмя досок.
Клееные арки криволинейного очертания — один из наиболее эффективных типов современных деревянных конструкций заводского изготовления. Они отличаются легкостью ( kСВ = 3), небольшим числом сборочных элементов и соединений, экономичностью и архитектурной выразительностью.
Поперечное сечение арок принимают прямоугольным с отношением высоты сечения к ширине не более 5.
Исходя из удобства транспортирования и монтажа обычно отдают предпочтение трехшарнирным аркам, состоящим из двух отдельных, изогнутых по дуге окружности, клееных полуарок. В стрельчатой арке имеется в коньковом шарнире перелом оси.
Стрела подъема f трехшарнирных клееных круговых арок должна быть не менее 1/7, а стрельчатых — не менее 1/3 пролета l арки. Стрелу дуги f0 полуарок при стрельчатом очертании принимают обычно не менее 1/15 длины l0 хорды полуарки.
Радиус кривизны оси арки кругового очертания определяют по формуле
а радиус кривизны оси полуарки при стрельчатом очертании — по формуле
Длину дуги круговой арки вычисляют по формуле
Распор круговых арок при опирании их на стены воспринимается стальными или клееными деревянными затяжками, подвешенными во избежание их провисания к аркам. Гибкость затяжек в вертикальной плоскости между подвесками не должна превышать 400. Гибкость затяжек из круглой стали не нормируется.
|
|
Распор арок стрельчатого очертания и круговых арок, опирающихся на фундаменты, воспринимается непосредственно фундаментами.
Статический расчет арок производят по общим методам строительной механики. Находят максимальный изгибающий момент, возникающий при наиболее невыгодном нагружении арки, и продольную силу в том же сечении. Расчет на совместное действие изгиба и сжатия ведут по правилам расчета прямолинейных стержней. При определении гибкости за расчетную длину трехшарнирных круговых арок при несимметричной нагрузке и стрельчатых арок при всех видах нагрузки принимают длину дуги полуарки, а за расчетную длину круговых арок при симметричной нагрузке принимают 0,7 полной длины дуги арки.
Для удобства гнутья и исключения больших начальных напряжений толщину досок, из которых склеивают арку, следует принимать не более 1/250 радиуса кривизны. При большей толщине необходимо снижать расчетные сопротивления, умножая их на коэффициент mгн, значения которого приведены в [1, табл. 12].
Пример 6.3. Запроектировать и рассчитать несущие конструкции покрытия деревообделочного цеха. Стены здания кирпичные с внутренними пилястрами. Расчетный пролет несущих конструкций l = 14,7 м ; шаг расстановки — В = 6 м . Место строительства — район г. Куйбышева. Изготовление конструкций заводское.
|
|
Решение. В качестве несущих конструкций покрытия принимаем клееные трехшарнирные арки кругового очертания со стальной затяжкой (рис. 6.3). Затяжку проектируем из круглой стали, так как затяжки из профильной стали более громоздки и на них скапливается производственная пыль.
Ограждающая часть покрытия состоит из неразрезных прогонов, расположенных по аркам на расстоянии 1 м один от другого, по которым уложены дощато-гвоздевые щиты и утепленная кровля, типа рассмотренной в примере 4.4.
Определение геометрических размеров арки (рис. 6.4, a). Стрелу подъема арки принимаем равной
Радиус кривизны арки вычисляем по формуле (6.6)
Длина дуги арки по формуле (6.8)
Синус центрального угла полуарки
этому соответствуют: j = 36°52' » 37°; cos j = 0,8.
Нагрузки. Нагрузка от веса ограждающей части покрытия на 1 м2 поверхности крыши, по данным примера 4.4 с добавлением веса прогонов, составляет: нормативная — 131 кгс/м2 расчетная —1150 кгс1мг. Эта нагрузка, приведенная к 1 ж2 плана покрытия, равна:
|
|
i
j
Снеговая нагрузка на 1 м2 плана покрытия составляет:
Собственный вес арки по формуле (6.5) при kCB = 3 равен
Расчетная нагрузка на 1 пог. м арки:
Определение расчетных усилий в элементах арки. Сравнительный анализ показывает, что наибольшее значение изгибающего момента в трехшарнирной круговой арке получается при загружении арки постоянной нагрузкой по всему пролету и временной нагрузкой, расположенной на участке, равном 0,6 пролета.
Максимальный изгибающий момент при таком загружении, возникающий в сечении, расположенном в четверти пролета арки, определяем [7] по формуле
Здесь Км g и Км p — коэффициенты, определяемые по графику приложения 8 при отношении f / l = 1/6.
Нормальную силу в том же сечении, где действует максимальный изгибающий момент, находим по формуле
где К ng и К np — коэффициенты, взятые из того же графика.
Для получения максимального усилия в затяжке арку загружаем полной нагрузкой q по всему пролету.
Величину распора вычисляем по формуле (6.1)
Опорные реакции
Подбор сечения арки. Криволинейные блоки полуарок склеиваем из досок сечением 4 x 15 см . После острожки с двух сторон по пластям склейки толщина досок а будет равна 3,5 см , а после двойной острожки кромок ширина досок b составит 14 см . Сечение арки проектируем прямоугольным, склеенным из 13 досок, тогда высота сечения h = 13×3,5 = 45,5 см .
|
|
Принятые размеры удовлетворяют требованиям норм:
Проверим принятое сечение арки на совместное действие нормальной силы и изгибающего момента по формуле (1.13)
Здесь
Устойчивость из плоскости арки не проверяем, так как она обеспечивается частым расположением прогонов кровли, надежно прикрепляемых к арке.
Расчет затяжки. Затяжку арки принимаем в виде одного тяжа из круглой стали марки ВМСтЗпс с петлевидными концами у опор и в середине пролета.
Требуемая площадь затяжки
Принимаем d = 36 мм ; F = 10,18 см2.
Петлевидные концы затяжки выполняем, как показано на рис. 6.3. При этом длина сварных швов должна быть не менее lш = 4d = 4×3,6 = 14,4 см (принимаем 150 мм ).
Во избежание провисания затяжки поддерживаем ее посередине пролета вертикальной подвеской из круглой стали ( d = 12 мм ).
Расчет хомута. Затяжка прикреплена к арке в опорном узле хомутом, состоящим из двух ветвей из круглой стали с нарезкой на концах и траверсы (см. рис. 6.3, узел А).
Требуемая площадь сечения нетто каждой ветви хомута
: длина lпл = 2 dB + 3 dB + 2 dB = 7 dB = 7×4,8 = 33,6 см (принимаем 35 см ).
Проверяем прочность планки при принятых размерах:-
на смятие
на растяжение
Опорный узел. Требуемая ширина опорной подушки из условия смятия под углом 90°
Принимаем bпод = 2 x 18 = 36 см. Длину подушки назначаем равной:
Напряжение в кладке
где 14,9 кгс/см2 — расчетное сопротивление кладки местному сжатию RCКЛпри марке кирпича 75 и марке раствора 25.
Коньковый узел. Этот узел выполнен лобовым упором полуарок одну в другую с перекрытием стыка двумя деревянными накладками сечением 180 х 75 мм . Накладки скреплены с полуарками восемью болтами диаметром d = 16 мм , размещенными, как показано на рис. 6.3, узел С.
Расчет на прочность упорных площадок, а также болтов и накладок стыка на действие односторонней снеговой нагрузки не производим ввиду очевидной избыточной прочности соединения.
Пример 6.4. Запроектировать и рассчитать несущие конструкции покрытия склада сыпучих материалов (рис. 6.5, а) шириной в плане 18 м . Ограждающая часть покрытия состоит из прогонов, расположенных по несущим конструкциям через 1 м один от другого, и дощатых щитов с рубероидной кровлей (рис. 6.5, б). Изготовление конструкций — заводское. Место строительства — район г. Тамбова.
Решение. В качестве несущих конструкций покрытия принимаем трехшарнирные клееные арки стрельчатого очертания со Стрелой подъема f = 0,5 l, расположенные вдоль здания через 6 м . Опорами арок служат железобетонные фундаменты. Пространственная жесткость покрытия обеспечивается диагональными элемента ми, прибитыми к кровельным щитам, и продольными ветровыми связями.
Геометрические размеры арки (рис. 6.6). Расчетный пролет арки l = 18 м . Стрела подъема арки в ключе f = 0,5 l = 9 м .
Длина хорды полуарки
Стрелу подъема дуги полуарки принимаем равной:
Длина дуги полуарки по формуле (6.8)
Радиус кривизны оси полуарки по формуле (6.7)
Угол j раствора полуарки
Угол aнаклона хорды полуарки к горизонту
Угол j0 наклона радиуса, проходящего через опору арки
Определение координат расчетных сечений арки. Для определения расчетных усилий каждую полуарку делим на пять равных частей (см. рис. 6.6).
Длина дуги и центральный угол, соответствующий одному делению, равны:
Координаты центра кривизны оси полуарки (принимаем за начало координат левую опору арки) равны:
Координаты расчетных сечений арки определяем по формулам::
где (п — номер рассматриваемого сечения).
Вычисление координат сведено в табл. 6.1.
Нагрузки. Вес ограждающей части покрытия (в кгс/м2):
Средний вес ограждающей части покрытия на 1 м2 плана покрытия
Нормативная снеговая нагрузка для III снегового района с учетом цилиндрической, формы покрытия, согласно [3], составляет:
Собственный вес арки по формуле (6.5) при kCB = 3 равен:
Расчетная постоянная нагрузка на 1 пог. м арки
. Расчетная снеговая нагрузка
Расчетную ветровую нагрузку (принимаемую, согласно [3], нормальной к поверхности сооружения) определяем по формуле
где k — коэффициент, зависящий от высоты сооружения (при высоте до 10 м k = 1);
с — аэродинамический коэффициент, принимаемый при f/l = 0,5 с наветренной стороны на участке активного давления сг = 0,7, на участке отрицательного давления с2 = —1,2, с заветренной стороны для верхней части сооружения, с3 = — 1, 2, а для нижней с4 = — 0,4; Рв0 — нормативный скоростной напор, принимаемый для II ,
ветрового района (г. Тамбов) равным 35 кгс/м2; п = 1,2 — коэффициент перегрузки.
Расчетная ветровая нагрузка на 1 пог. м дуги арки по участкам (рис. 6.7):
Определение усилий в расчетных сечениях арки. Для определения усилий в арке от постоянной и временной (снеговой) нагрузок достаточно произвести расчет арки на единичную нагрузку q = 1 кгс/м, расположенную на левой половине пролета (см. рис. 6.6). Усилия в арке от нагрузки по всему пролету находим путем алгебраического суммирования усилий, полученных от односторонней нагрузки в симметричных точках дуги арки.
Распор арки при единичной нагрузке на половине арки
Опорные реакции:
Изгибающие моменты в левой половине арки вычисляем по формуле
Например, для сечения 3
Изгибающие моменты в правой половине арки (х отсчитываем от правой опоры)
Например, для сечения 3'
Для получения величин моментов от постоянной и снеговой нагрузок умножаем полученные моменты от единичной нагрузки соответственно на 260 и 336. Результаты вычислений сведены в табл. 6.2.
Согласно [3], боковые зоны ветрового давления ограничены точками, имеющими ординаты у = 0,7 f = 0,7×9 = 6,3 м . Ввиду небольшой разницы между у = 6,3 м и у3 = 6,18 м для упрощения дальнейших вычислений считаем, что зоны ветрового давления меняются в точках 3 и 3' (см. рис. 6.7).
Определяем равнодействующие ветрового давления на каждом из участков, считая их приложенными посередине соответствующих дуг:
Вертикальные опорные реакции находим из условия равенства нулю моментов всех сил относительно опорных шарниров арки. Получаем:
Длина ригеля полурамы по скату
Высота рамы в середине пролета, h 0 = hCT + 0,5 l tga = 3,5 + 0,5×9×0,4 = 5,3 м . Ось подкоса в карнизном узле направлена так, что образует с осями стойки и ригеля равные углы β. Значение
угла β найдем из зависимости 180—2 β = 90 + α, откуда β = 34°06';
sin β = 0,561; cos β = 0,828; tg β = 0,677. Длина подкоса lП=
= 2 b cos β = 2×1,5×0,828 = 2,48 м . Расстояние от низа рамы до
точки пересечения оси ригеля с осью подкоса hП = hСТ + b х
sin α = 3,5 + 1,5×0,371 =4,06 м. Расстояние от оси стойки до
точки пересечения оси ригеля с осью подкоса u = b cos a = 1,5 х 0,928 = 1,39 м . Расстояние от центра карнизного узла рамы до оси подкоса е = b sin β = 150×0,561 = 84 см .
Нагрузки. Раму рассчитываем только на основное сочетание нагрузок — постоянная и снеговая нагрузки, так как дополнительное сочетание — постоянная, снеговая и ветровая нагрузки, как показывает соответствующий анализ, для всех элементов рамы не является расчетным. Обрешетины щита расположены одна от другой на близком расстоянии, поэтому нагрузки на раму считаем равномерно распределенными.
Нормативная нагрузка от собственного веса кровли (qHкр = 15 кгс/м2) и щитов (qHкр= 8 кгс/м2) обрешетки на 1 пог. м горизонтальной проекции ригеля рамы составляет
То же, от снеговой нагрузки: pНС = 100×3 = 300 кгс/м.
К постоянной нагрузке добавляем собственный вес рамы, определяемый по формуле (6.5) при kС. В = 6:
Расчетные нагрузки на 1 пог. м пролета рамы:
Определение усилий в элементах рамы. По расчетной схеме данная конструкция — статически определимая симметричная трехшарнирная рама.
Нетрудно установить, что расчетные величины наибольших изгибающих моментов и нормальных сил будут иметь место при загружении рамы постоянной нагрузкой и снегом с двух сторон, (рис. 6.8, в).
Вертикальные опорные реакции в этом случае
Горизонтальные опорные реакции (распор)
УсилиеD в подкосе карнизного узла найдем из уравнения моментов относительно точки К, где пересекаются оси стойки и ригеля рамы:
откуда
Примерный вид эпюры изгибающих моментов для рассматриваемой рамы от сплошной равномерно распределенной по длине ригеля нагрузки показан на рис. 6.8, в. Из эпюры видно, что наибольшие значения изгибающих моментов будут в точке В для стойки и в точке С — для ригеля рамы. Поэтому для расчета рамы достаточно определить величины изгибающих моментов и продольных сил только в этих опасных сечениях.
Изгибающий момент в точке В
Нормальная сила чуть ниже точки В
то же, чуть
выше точки В и по всей верхней части стойки
Изгибающий момент в точке С
Нормальная сила в ригеле у точки К
Нормальная сила у точки С слева
Нормальная сила у точки С справа
Нормальная сила у точки О
No = — Н cos a= — 1000 • 0,928 = — 930 кгс (сжатие).
По полученным данным строим эпюру продольных сил в элементах рамы (рис. 6.8, г).
Подбор сечений элементов рамы. Стойку проектируем из брусьев сечением 20 х 25 см . Опасное сечение стойки — сечение в точке Б, где действует изгибающий момент МВ= 2000 кгс ×м и сечение ослаблено врезкой на глубину hвр = 2 см (рис. 6.9, а).
Стойку в этом сечении проверяем дважды, так как ниже сечения на участке АВ (см. рис. 6.8, в) действует сжимающая продольная сила Nbd = 2360 кгс, а выше сечения на участке ВК — растягивающее усилие Nb В = 1080 кгс.
На участке АВ стойку рассчитываем как сжато-изгибаемый стержень. Свободная длина стойки при определении расчетной гибкости в подносных рамах принимается обычно равной 2,5 а (а — расстояние от верха фундамента до точки пересечения подкоса со стойкой). Коэффициент 2,5 назначается в предположении, что стойка внизу шарнирно опирается на фундамент, а вверху упруго защемлена в двух точках (у низа подкоса и в месте примыкания к ригелю). Кроме врезки сечение ослаблено еще болтом диаметром d = 1,6 см , скрепляющим накладки подкоса со стойкой. Геометрические характеристики расчетного сечения:
Гибкость стержня
Коэффициент по формуле (1.14)
Напряжение по формуле (1.13)
На участке ВК стойку рассчитываем как растянуто-изгибаемый стержень.
Напряжение по формуле (1.12)
Опасным сечением ригеля является сечение в точке С, где Мс = 1285 кгс × м; NCп= — 1540 кгс; NCл= 1900 кгс. Ригель проектируем из бруса 20 х 20 см . Сечение ослаблено врезкой и болтом (см. рис. 6.9, а).
Геометрические характеристики ослабленного сечения:
Свободная длина ригеля полурамы на участке между узлом С и коньковым узлом
Гибкость стержня
Коэффициент
Напряжение
Прочность ригеля на участке СК проверяем по формуле (1.12):
Усилие сжатия в подкосе D = 4160 кгс. Подкос состоит из деревянной распорки сечением 5 х 20 см , усиленной с боков двумя накладками 5 х 10 см (см. рис. 6.9, а), прикрепленными к ней гвоздями.
Распорка по всей ширине соединяемых элементов упирается в подушки, врезанные в стойку и ригель, а накладки охватывают с двух сторон стойку и ригель, обеспечивая боковую жесткость карнизного узла. Так как распорка непосредственно воспринимает сжимающее усилие в подкосе, а накладки лишь повышают ее устойчивость при продольным изгибе, то подкос рассчитываем как сжатый стержень с неравномерно нагруженными ветвями.
Расчетный момент инерции сечения относительно горизонтальной оси X по формуле (5.9)
Расчетная площадь сечения F = 5×20 = 100 см2. Радиус инерции сечения
Гибкость стержня относительно оси X
где /0 = 199 см — свободная длина основной сжатой ветви (см рис
6.9, а).
Коэффициент продольного изгиба j = 0,48 (по приложению 2). Напряжение
Расчёт узлов рамы В узлах В и С подкос сопрягается со стойкой и ригелем рамы. Для передачи сжимающего усилия распорка всей торцовой поверхностью упирается в подушки, врезанные в элементы на глубину hBp = 2 см и прибитые к ним гвоздями. Смятие подушки происходит под углом b » 34°. Раcчетное сопротивление смятию (приложение 4, кривая 1) RCM b = 62 кгс/см2. Действительное напряжение смятия в подушке
Вертикальная составляющая усилия в подкосе D u = D cos b = 4160×0,828 = 3450 кгс. Эта составляющая в месте врезки в стойку вызывает торцовое смятие сопрягаемых элементов, равное:
При действии ветра и отсутствии снега в подкосе рамы может возникнуть небольшое растягивающее усилие, не погашаемое постоянной нагрузкой. Для восприятия этого усилия накладки подкоса со стойкой и ригелем рамы скрепляем болтами диаметром d = 16 мм .
В узле К (см. рис. 6.9, а) стойка сопрягается с ригелем рамы в полдерева и соединяется болтами, работающими как односрезные нагели.
Растягивающее усилие в ригеле N к = 1640 кгс. Для восприятия этого усилия ставим пять болтов диаметром 16 мм . Ригель примыкает к стойке под углом aсм ==90 — a » 68°. Этому углу соответствует коэффициент по табл. 2.2 — ka = 0,675.
Несущая способность одного односрезного болта
Несущая способность всего соединения
Болты размещаем, как показано на рис. 6.9, а, соблюдая нормы расстановки. Расстояние от продольных кромок ригеля до оси болтов s3 = 3 d = 48 мм;расстояние между болтами
Коньковый узел выполняют торцовым упором брусьев ригеля с перекрытием стыка двумя деревянными накладками на болтах (рис 6.9, б).
Накладка и болты воспринимают поперечную силу, возникающую в этом узле при несимметричном нагружении снегом лишь одного из скатов, равную:
Вследствие кососимметричной схемы работы накладок усилия, воспринимаемые болтами, которые соединяют накладки с ригелем, будут неодинаковыми (рис. 6.9, в).
Из условия равновесия полунакладки находим
и
откуда
Следовательно, более нагружены болты, расположенные ближе к месту стыка.
При диаметре болта d = 1,6 см , толщине накладки а = 7,5 см , угле смятия aсм = 90° несущая способность одного двухсрезного болта равна:
Прочность накладок на изгиб не проверяем из-за малой величины изгибающего момента накладок.
Опирание стойки на бетонный фундамент в опорном узле выполняем непосредственно через торец (рис. 6.9, г). Между бетоном и торцовым обрезом стойки прокладываем гидроизоляцию из двух слоев толя, склеенных битумной мастикой. Для обеспечения возможности поворота опорного сечения срезаем торцы стойки по 35 мм с каждой стороны.
Усилие, передающееся от стойки на фундамент, V А = 2360 кгс. Расчетное сопротивление бетона марки 100 сжатию Rбетс= 44 кгс/см2.
Напряжение смятия
Для восприятия распора Н = 1000 кгс в опорном узле ставим анкерные болты d = 16 мм , заделанные в фундамент и соединенные со стойкой с помощью двух неравнобоких уголков 140 х 90 х 8, прикрепленных к стойке болтами диаметром d = 16 мм .
Расчет болтов, соединяющих уголки со стойкой, и анкерных болтов производится аналогично рассмотренному в примере 6.4.
Пример 6.6. Запроектировать и рассчитать несущие конструкции покрытия птицеводческого здания шириной в плане 18 м . Шаг расстановки конструкций в продольном направлении здания В = 3 м . Ограждающая часть покрытия состоит из уцепленных асбестоцементных панелей, по которым уложена кровля из асбестоцементных волнистых листов унифицированного профиля (УВ-7,5). Уклон кровли i = 1:4. Изготовление конструкций заводское. Место строительства — район г. Арзамаса (III снеговой район).
Решение. В качестве несущих конструкций покрытия принимаем деревянные гнутоклееные трехшарнирные рамы, разработанные ЦНИИЭПсельстроем*, изготовление которых освоено на Чебоксарском экспериментальном деревообрабатывающем заводе треста Чувашсельстрой (рис. 6.10, а).
Стены здания каркасно-панельной конструкции с передачей давления от них непосредственно на фундаменты.
Для обеспечения устойчивости рам из своей плоскости и общей жесткости покрытия устраиваются скатные связи в виде связевых. ферм и распорок, располагаемых по длине здания через 6 — 8 пролетов.
Нагрузки. Нормативный вес ограждающей части покрытия составляет 54 кгс/м2, а расчетный — 60 кгс/м2. Нормативный снеговой; покров 100 кгс/м2.
Собственный вес рамы по формуле (6.5) при kсв = 6 равен.
Расчетная нагрузка на 1 пог. м пролета рамы:
Ветровая нагрузка во внимание не принимается, так как при небольшой высоте здания и наличии стоек каркаса стены, воспринимающих ветровое давление и передающих его непосредственна на фундамент, эта нагрузка расчетных усилий в раме не вызывает.
Геометрические размеры рамы. Для расчета рамы необходимо предварительно задаться всеми размерами, определяющими схему и сечения элементов рамы. Общий вид проектируемой полурамы и ее сечения изображен на рис. 6.11. Сечение ригеля подлине рамы проектируем переменным, изменяющимся уступом.
За расчетную ось рамы принимаем параллельную наружному контуру линию, проходящую через центр тяжести конькового сечения рамы. При предварительно принятых размерах сечений рамы расчетная ось расположена от наружного контура на расстоянии h 0 = 22 см . Расчетная схема рамы в этих осях изображена на рис. 6.10, б.
Расчетный пролет рамы
Опорные реакции:
Изгибающие моменты в любом сечении на левой половине рамы определяем по формуле
Например, для точки 2
Изгибающие моменты в правой незагруженной половине пролета (х — от правой опоры В)
Например, для точки 2
Результаты вычислений величин изгибающих моментов от единичной нагрузки, постоянной и снеговой нагрузок, а также расчетные величины моментов приведены в табл. 6.4.
Максимальный момент М2 = — 7313 кгс × м получается в сечении 2 при загружении рамы полной нагрузкой по всему пролету. Определим в этом сечении при том же загружении нормальную силу по формуле
Опорная реакция при полном загружении рамы
Распор
Угол наклона касательной в точке 2
Подставляя значения величин, получаем
Наибольший положительный момент в ригеле М7= 2694 кгс × м возникает в сечении 7 при загружении рамы постоянной нагрузкой и снегом на левой половине пролета.
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 1146; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!